Giáo trình hóa sinh - Nguồn: Internet

Bằng con đường chuyển vị nhóm amine sang cho một cetoacid, amino acid biến đổi thành ceto acid tương ứng, phản ứng nhờ enzyme vận chuyển nhóm amin xúc tác amino transferase.. Sự biến đ[r]

G

GIIÁÁOO TTRRÌÌNNHH H

HĨĨAA SSIINNHH

Mở đầu

1 Lịch sử, đối tượng, nhiệm vụ hoá sinh

Ở kỷ XIX, mà hoá học phát triển vũ bão, ranh giới sinh học hoá học xuất lĩnh vực khoa học nhằm nghiên cứu thành phần hoá học thể sống q trình chuyển hố hố học chất lượng trình hoạt động sống xảy thể chúng Lĩnh vực khoa học gọi hoá học sinh vật vắn tắt hơn- hoá sinh học (biochemistry)

Có thể nói rằng, hố sinh học phần lĩnh vực khoa học sống Nhiệm vụ chúng nhằm nghiên cứu tượng sống phương pháp hoá học

Đây khoa học trẻ tuổi kỷ XX đà phát triển mạnh mẽ xâm nhập vào nhiều lĩnh vực mũi nhọn sinh vật học, y học nơng học Hố sinh học trở thành khoa học độc lập vào nửa sau kỷ thứ XIX từ thời thượng cổ người làm quen với nhiều q trình hố sinh học sống hàng ngày họ (nấu rượu, nướng bánh mì, thuộc da, làm dấm, tương, nước mắm )

Tuy gần đây, tất trình sinh học nghiên cứu cách khoa học giải thích cách đầy đủ

Có thể nói, xuất mơn hố sinh học kết tất yếu phát triển phối hợp hoá học sinh vật học

Tính chất phương hướng hoá sinh học nghiên cứu thể sống, tìm ý nghĩa chức phận tất thành phần, sản phẩm chuyển hố, sở đó, tìm hiểu sâu về:

- Mối liên quan q trình hố học sinh vật học

- Mối liên quan cấu trúc chức sống quan thể

- Cơ chế điều hồ tồn q trình sống

Tuỳ theo đối tượng nghiên cứu mà người ta phân chia hoá sinh học thành hoá sinh động vật, hoá sinh thực vật, hoá sinh vi sinh vật y hoá sinh

Trên đối tượng, hoá sinh nghiên cứu song song hai mặt "tĩnh" "động"

Việc nghiên cứu chất có thành phần thể sinh vật nhiệm vụ tĩnh hoá sinh Tĩnh hoá sinh gắn liền mật thiết với hoá học sinh hữu Đây hóa sinh mơ tả

trao đổi chất mối liên quan với tồn thể mơi trường xung quanh nhiệm vụ động hoá sinh

Tĩnh hoá sinh động hoá sinh liên quan với chật chẽ - việc nghiên cứu trình hóa sinh học vơ nghĩa khơng có nghiên cứu chất tham gia trình

Hố sinh mơ tả gắn liền với phát triển hoá hữu Cuối kỷ XVIII, đầu kỷ XIX, hàng loạt hợp chất hữu tách từ thực vật từ tổ chức động vật: citric acid, malic acid, tatric acid, oxalic acid, urea alkaloid Người ta xác nhận thành phần tất chất béo chứa glycerin Trong thời gian này, Lavoisier giải thích chế hố học hơ hấp cháy Ơng chứng minh rằng, lượng nhiệt thể sống sản sinh lượng nhiệt thu đốt cháy chất dinh dưỡng bên ngồi thể (khi hơ hấp thể, carbon hydrogen bị oxy hóa từ từ, trình giống cháy bình thường)

Tiếp theo cơng trình chiết xuất, tinh chế phân tích chất hữu cơng trình nghiên cứu tổng hợp chất hữu Quan điểm cho rằng, vật chất sống khác với vật chất khơng sống bị đánh đổ hồn tồn mà Wöhler vào năm 1828 điều chế carbamid (urea) phương pháp nhân tạo từ chất vô Phát minh Wöhler chứng cho để tạo nên chất sống không cần thiết "lực" sống (vis vitalis) mở đường hướng hoá sinh phát triển (Thời kỳ khoa học sâu vào sống bị khống chế kìm hãm thuyết "hoạt lực" cho chất hữu tham gia vào cấu tạo thể sinh vật tạo "đấng siêu tự nhiên")

protein, Pavlov thời gian nghiên cứu chế enzyme Miescher nghiên cứu nucleic acid Thời gian người ta phát vitamin

Việc xác lập nên thành phần hoá học thực vật, việc phát enzyme việc làm sáng tỏ vai trò chúng trao đổi chất, phát vitamin hormon, phát triển hoá học amino acid protein, glucid, lipid tạo điều kiện cho việc hình thành động hố sinh nhờ phát triển động hoá sinh mà người ta xây dựng quan điểm thống quy luật chung trình trao đổi chất chuyển hoá lượng thể sinh vật

Ngày biết rõ rằng, tất chất xây dựng nên tế bào sống, thay đổi không ngừng Đặc trưng sống biến đổi hoá học

Như hoá sinh học đại trước hết động hoá sinh Trước tiên tượng trao đổi chất, chuyển hoá phân giải chất dinh dưỡng nhằm thu nhận lượng hoá học để xây dựng vật chất tế bào Các phản ứng hoá học xảy nhờ tác dụng xúc tác enzyme, việc nghiên cứu enzyme chiếm phần quan trọng hoá sinh học

Thứ đến thuộc động hoá sinh điều hồ hố học Điều xảy đường sản phẩm trao đổi chất xác định, thường với tham gia chất đặc biệt hormon tạo thành tuyến nội tiết

Thứ ba thuộc động hoá sinh q trình hố học xảy gắn liền với cấu trúc thực chức phần tử cấu trúc

Việc xác định trình tự amino acid protein cấu trúc không gian protein (Sanger, Perutz Kendrew) cấu trúc nucleic acid (Chargaff, Watson Crick) bắt đầu giai đoạn phát triển hoá sinh học tức thời kỳ sinh học phân tử Một điều rõ ràng tách riêng sinh học phân tử hoá sinh học khỏi Về mà nói "sinh học phân tử" tên mới, phân ngành riêng hố sinh Nó cố gắng làm sáng tỏ tượng sống sở phân tử có nghĩa sở hố sinh học Chính theo quan niệm đại hố sinh học khoa học nghiên cứu sở phân tử sống

2 Thành phần hoá học thể sống

người khoảng 50-70%) điều cần lưu ý số dạng sống bậc thấp, virus, bào tử sống qua trạng thái khơ héo hồn tồn, song trạng thái khơng có nước hoạt động sống chúng bị hoãn lại

Từ sở nói q trình hố học đặc trưng cho sống xem phản ứng tiến hành mơi trường nước

Ngồi người ta phát 60 nguyên tố có thể sống Các nguyên tố có thể với lượng khác Một số coi nguyên tố cần thiết để xây dựng thể phục vụ cho phát triển bình thường thể; số khác chức sinh học chúng chưa biết rõ; số lại coi xâm nhập ngẫu nhiên C H O N S P Cl Ca Mg K Na nguyên tố cần thiết thể sống, 11 nguyên tố chiếm gần 100% khối lượng toàn phần thực vật động vật Những nguyên tố dạng vết gọi yếu tố vi lượng, vai trò quan trọng chúng sống sáng tỏ ion kim loại nặng Co, Zn, Mn, Mo; trường hợp thể động vật bậc cao có I, xanh có B Cần nhớ rằng, trừ I Mo, nguyên tố kể đến nằm số 30 nguyên tố đầu hệ thống tuần hoàn nửa nguyên tố có số thứ tự đến 30 có vai trò sinh học quan trọng

Nhiều hợp chất hữu trước coi riêng biệt thuộc giới sinh vật, nghiên cứu, tổng hợp phịng thí nghiệm Đó protein, nucleic acid, glucid, lipid, enzyme vitamin Đây chất chiếm vị trí hàng đầu sinh học đối tượng nghiên cứu chương giáo trình

3 Mối quan hệ hoá sinh với ngành khoa học sinh học, nông nghiệp y học

q trình hố sinh phát dục, q trình chuyển hoá, sinh tổng hợp chất tạo nên hạt, quả, q trình tác động hố sinh cytokinin đến sinh trưởng phát triển Đối với vật ni vậy, muốn có suất thịt, sữa, trứng cao, người chăn nuôi phải hiểu q trình hố sinh phát triển đến giai đoạn phát triển vật, đến phận bắp, buồng trứng chúng để có tác động mạnh mẽ Đối với y dược học, vấn đề chủ chốt nghiên cứu bệnh nguyên, bệnh lý, chẩn đoán điều trị bệnh liên quan chặt chẽ đến hoá sinh, tức liên quan đến thay đổi phân tử bệnh lý xảy thể tìm chất hoạt tính sinh học có tác dụng phịng chống chữa khỏi bệnh

Vì nói hố sinh gốc, để giúp hiểu sâu sắc khoa học khác sinh học, nông nghiệp y học

4 Một số thành tựu bật hóa sinh thời gian gần Trong trình phát triển mình, nhiều ngành nhỏ hoá sinh đời.Về hoá sinh số chức phận hệ thống quan trọng có hoá sinh miễn dịch, hoá sinh di truyền, đặc biệt ngành gần xuất cơng nghệ hố sinh Các lĩnh vực nhỏ hố sinh đóng góp cách tích cực vào thành tích chung hố sinh Nhiều giải thưởng Nobel ghi công kết nghiên cứu quan trọng, mở nhiều cánh cửa cho phát triển hoá sinh hoá sinh hệ thống miễn dịch Snell, Bena Cerraf Dausset năm 1980 Cùng năm Paul Berg giải thưởng Nobel công trình nghiên cứu gắn mẫu DNA Năm 1981-1982, thành tựu tổng hợp gen α - interferon gồm 514 đôi base Leicester thực Từ đến hàng loạt cơng trình khác nghiên cứu hố sinh áp dụng lĩnh vực khoa học

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tài liệu tiếng Việt

1 Trần Thị Ân (chủ biên) 1979 Hóa sinh đại cương (tập I, II) NxB KH&KT Hà Nội

2 Đái Duy Ban 2005 Hóa sinh học hóa sinh y học Hóa sinh học 1: 8-13 Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng 2000 Hóa sinh học Nxb Giáo dục Hà Nội

4 Lê Dỗn Diên 1975 Hóa sinh thực vật Nxb Nông nghiệp Hà Nội

5 Nguyễn Tiến Thắng, Nguyễn Đình Hun 1998 Giáo trình sinh hóa đại Nxb Giáo dục Hà Nội

6 Nguyễn Xuân Thắng, Đào Kim Chi, Phạm Quang Tùng, Nguyễn Văn Đồng, 2004 Hóa sinh học Nxb Y học, Hà Nội

Tài liệu tiếng nước

1 Karlson P., 1972 Biokémia Medicina Kưnyv Kiadó Budapest

Lời nói đầu

Hóa sinh học khoa học nghiên cứu thành phần hóa học thể sống q trình chuyển hóa hóa học chất lượng trình hoạt động sống xảy thể sinh vật Là ngành khoa học bản, đồng thời khoa học ứng dụng, ngành khoa học sở cho khoa học quan trọng khác công nghệ sinh học, sinh học phân tử; hóa sinh học tác động lớn hay nói rộng mũi nhọn để định hướng giải vấn đề phục vụ cho nông, lâm, ngư nghiệp, phục vụ cho y học Chính vậy, hóa sinh học khơng cơng cụ sinh học mà cịn cơng cụ chuyên ngành khác liên quan đến sinh học nơng, lâm, ngư, y dược

Giáo trình nhằm cung cấp cho sinh viên ngành, chuyên ngành liên quan đến sinh học Đại học Huế kiến thức cấu tạo thành phần hóa học sinh chất, mối liên quan cấu trúc chức năng, q trình chuyển hóa chúng lượng thể sinh vật

Cuốn sách biên soạn theo chương trình giáo dục đại học Đại học Huế phê duyệt, tập thể tác giả trường Đại học khoa học, sư phạm thuộc Đại học Huế Sách dùng tài liệu tham khảo cho sinh viên trường khác, người chuẩn bị thi tuyển sau đại học cán nghiên cứu liên quan

Các tác giả xin cảm ơn đồng nghiệp góp nhiều ý kiến bổ ích q trình biên soạn Đặc biệt tác giả xin chân thành cám ơn GS.TSKH Lê Doãn Diên - Giám đốc Trung tâm Tư vấn Đầu tư Nghiên cứu phát triển Nông thơn Việt Nam (INCEDA), Chủ tịch Hội Hóa sinh Việt Nam nhận phản biện cho nhiều lời khun q báu nhằm hồn thiện giáo trình

Với thời gian biên soạn kinh nghiệm hạn chế, sách chưa thật đầy đủ chắn khơng tránh khỏi nhiều thiếu sót Chúng tơi mong nhận ý kiến đóng góp bạn đồng nghiệp, sinh viên bạn đọc để lần xuất sau hoàn thiện

Thay mặt tác giả Chủ biên

Chương

Saccharide

Là hợp chất hữu tạo nên từ ngun tố: C, H, O có cơng thức cấu tạo chung Cm(H2O)n, thường m = n Do có công thức cấu tạo nên saccharide thường gọi carbohydrate - có nghĩa carbon ngậm nước

Tuy nhiên có saccharide có cơng thức cấu tạo khơng ứng với cơng thức chung nói ví dụ: deoxyribose (C5H10O4)

Có chất khơng phải saccharide có cơng thức cấu tạo phù hợp với cơng thức chung ví dụ : acetic acid (CH3COOH)

Saccharide thành phần quan trọng sinh vật

Ở thực vật, saccharide chiếm từ 80 - 90% trọng lượng khô, saccharide tham gia vào thành phân mơ nâng đỡ, ví dụ cellulose, hay tích trữ dạng thực phẩm dự trữ với lượng lớn, ví dụ tinh bột Ở động vật, hàm lượng saccharide thấp nhiều, thường khơng q 2%, ví dụ glycogen

1.1 Monosaccharide

1.1.1 Cấu tạo danh pháp

Là chất có chứa nhiều nhóm rượu nhóm khử oxy (nhóm khử nhóm carbonyl aldehyde hay ketone)

- Nhóm khử aldehyde ta có đường aldose có cơng thức tổng quát: CHO

(CHOH)n CH2OH

- Nhóm khử ketone ta có đường ketose có cơng thức tổng qt:

CH2OH

C= O

CHO - CH2OH xem “monosaccharide”đơn giản Trong thiên nhiên monosaccharide có chứa từ đến carbon gọi tên theo số carbon (theo tiếng Hy Lạp) + ose

Ví dụ: monosaccharide có 3C gọi triose Tương tự ta có tetrose, pentose, hexose, heptose

1.1.2 Đồng phân quang học

Quy ước Fischer: Fischer người nêu nguyên tắc biểu diễn monosaccharide công thức hình chiếu chúng Theo đó: hình chiếu nguyên tử carbon bất đối (C*) nguyên tử C khác nằm đường thẳng, nguyên tử C có số thứ tự nhỏ có hình chiếu nằm Cịn nhóm có hình chiếu bên phải hay bên trái

Ví dụ : glyceraldehyde

Vì glyceraldehyde có C* nên theo quy tắc Van’t Hoff có đồng phân (N = 2n)

1CHO 1CHO

HO- 2C* -H H-2C*-OH D: -OH bên phải L: -OH bên trái 3CH2OH 3CH2OH

L glyceraldehyde D glyceraldehyde

Khi phân tử monosaccharide có nhiều C* cơng thức có dạng D hay L vào vị trí nhóm OH C* xa nhóm carbonyl

Ví dụ : CHO CHO

H-C-OH H-C-OH

Chú ý: monosaccharide từ triose trở lên có C* trừ dihydoxy aceton

CH2OH

C = O

CH2OH

1.1.3 Cơng thức vịng monosaccharide

Cơng thức thẳng theo Fischer trình bày khơng phù hợp với số tính chất hoá học chúng như: số phản ứng hố học thường xảy với aldehyde khơng xảy monosaccharide Vì nghĩ nhóm -CHO monosaccharide cịn tồn dạng cấu tạo riêng biệt

Mặt khác: monosaccharide tạo ether với methanol tạo thành hỗn hợp đồng phân có nhóm methoxy (- OCH3) Điều chứng tỏ monosaccharide cịn tồn nhóm -OH đặc biệt

Qua nghiên cứu Kolle cho thấy: số đồng phân thu monosaccharide thực tế nhiều số đồng phân tính theo cơng thức N=2n, để giải thích tượng trên, Kolle cho ngòai dạng thẳng monosaccharide tồn dạng vịng

Ví dụ : cấu tạo vòng glucose xảy sau:

Do tạo thành hemiacetal vòng mà C1 trở nên C*, nhóm -OH tạo C1 -OH glucoside Tương tự với ketose C2 trở nên C*, nhóm -OH tạo C2 -OH glucoside tạo thành hemiketal

Cách biểu diễn công thức vòng dựa vào nguyên tắc Haworth: C cầu nối với oxy nằm măt phẳng , nhóm cơng thức thẳng nằm bên phải cơng thức vịng nằm măt phẳng ngược lại Riêng nhóm C có nhóm OH dùng để tạo cầu nối oxy theo quy tắc ngược lại

1.1.4 Hiện tượng hổ biến monosaccharide

Như ta thấy, khơng thể giải thích tất tính chất monosaccharide ta thừa nhận dạng cấu tạo monosaccharide Nên người ta cho dạng cấu tạo chuyển hố lẫn

β pyranose α pyranose Dạng thẳng

1.1.5 Tính chất monosaccharide

1.1.5.1 Lý tính

Các monosaccharide tan nước, không tan dung môi hữu cơ, có tính quay cực trừ biose khơng có C*

1.1.5.2 Hố tính

a Monose tác nhân khử

Trong môi trường kiềm, khử ion kim loại nặng có hố trị cao thành ion có hóa trị thấp hay ion kim loại thành kim loại

Tính khử nhóm aldehyde hay nhóm ketone tạo monose biến thành acid

Ví dụ: Cu2+ bị biến đổi thành Cu+ phản ứng với thuốc thử Fehling, Ag+ bị biến đổi thành Ag phản ứng tráng gương

b Phản ứng với chất oxy hoá Tuỳ thuộc vào chất oxy hoá:

- Chất oxy hoá nhẹ nước brom đường aldose thành aldonic acid, với ketose phản ứng khơng xảy

- Chất oxy hố mạnh HNO3 đậm đặc có oxy hố xảy đầu cho ta di acid

- Trường hợp đặc biệt ta bảo vệ nhóm -OH glucoside cách methyl hóa hay acetyl hố trước oxy hoá nước brom, sản phẩm tạo thành uronic acid

c Phản ứng với chất khử

Dù dạng vòng chiếm tỷ lệ lớn thành phần, dạng thẳng chiếm tỷ lệ nhỏ đủ ta thấy rõ tính chất carbonyl thật Khi bị khử: monose biến thành polyalcohol

d Phản ứng tạo furfural

Dưới tác dụng acid đậm đặc, aldopentose tạo thành furfural aldohexose biến thành hydroxymethylfurfural Các sản phẩm cho tác dụng với phenol cho màu đặc trưng như: α naphthol cho vịng màu tím (Molisch) Đây phản ứng để phân biệt đường với chất khác Nếu đường 5C cho màu xanh cẩm thạch với orcinol (Bial)

e Phản ứng ester hoá

1.1.6 Các monose quan trọng

1.1.6.1 Pentose

1.1.6.2 Hexose

Các hexose quan trọng như:

* Glucose: cịn gọi dextrose làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực phía phải

Phổ biến rộng rãi thực vật nho, nên gọi đường nho, máu người có 0.8 - 1,1 g/l, người bị bệnh đái đường đến 2g/l Các disaccharide quan trọng saccharose, lactose, maltose polysaccharide quan trọng tinh bột, glycogen Người ta sử dụng glucose y học chất tăng lực

* D - Mannose: gặp trạng thái tự do, thường gặp polysaccharride glucoside

* D - Galactose: thành phần lactose có sữa cịn gọi đường não tuỷ Chúng thành phần cấu tạo raffinose, hemicellulose pectine

* D - Fructose cịn gọi levulose làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực phía trái

1.2 Oligosaccharide

1.2.1 Disaccharide

Sự tạo thành disaccharide kết hợp monose loại hay khác loại nhờ liên kết glucosidic Liên kết glucosidic tạo thành -OH glucoside monose với -OH glucoside monose kia, hay nhóm -OH glucoside monose với -OH ( -OH glucoside) monose

Disaccharide có tính khử nhóm -OH glucoside trạng thái tự Nghĩa disaccharide khơng có tính khử nhóm -OH glucoside liên kết với

Các disaccharide quan trọng

* Maltose phân tử α- D-glucose liên kết với vị trí C1 - C4 tạo thành Công thức cấu tạo:

Maltose có nhóm -OH glucoside trạng thái tự nên có tính khử Maltose có nhiều mầm lúa mạch nha (maltum) nên gọi maltose

* Lactose (đường sữa) phần tử β D-galactose liên kết với phân tử β D- glucose vị trí C1- C4

1.2.2 Trisaccharide

Là oligosaccharide có chứa monosaccharide, phổ biến thiên nhiên raffinose Công thức cấu tạo sau: α-D-galactopyranosyl 1-2 α-D glucopyranosyl 1-2 β-D fructofuranose Do có cơng thức nên khơng có tính khử oxy Dễ bị thủy phân, tác dụng β fructofuranosidase tạo thành fructose melobiose với α galactosidase tạo thành galactose saccharose

1.3 Polysaccharide

Polysaccharide đóng vai trị quan trọng đời sống động vật, thực vật Một số polysaccharide thường gặp tinh bột, glycogen, cellulose

1.3.1 Polysaccharide thực vật

1.3.1.1 Tinh bột

Là polysaccharide dự trữ thực vật, quang hợp tạo thành Trong củ hạt có từ 40 đến 70% tinh bột, thành phần khác xanh có it chiếm khoảng từ đến 20%

Tinh bột khơng hịa tan nước, đun nóng hạt tinh bột phồng lên nhanh tạo thành dung dịch keo gọi hồ tinh bột

Tinh bột có cấu tạo gồm hai phần: amylose amylopectin, ngồi cịn có khoảng 2% phospho dạng ester Tỷ lệ amylopectin/amylose đối tượng khác không giống nhau, tỷ lệ gạo nếp lớn gạo tẻ

*Amylose

Chiếm 15 đến 25% lượng tinh bột, nhiều gốc α D- glucose liên kết với thông qua C1-C4 tạo thành mạch thẳng không phân nhánh Trong không gian cuộn lại thành hình xoắn ốc giữ bền vững nhờ liên kết hydro Theo số tài liệu amylose cịn có chứa α D- glucopyranose dạng thuyền

Hạt tinh bột lục lạp amylose

* Amylopectin

1.3.1.2 Cellulose

Được cấu tạo phân tử β D-glucose liên kết với liên kết 1-4 glucosidic

Chúng thành phần chủ yếu vách tế bào thực vật Đối với người cellulose khơng có giá trị dinh dưỡng cellulose khơng bị thủy phân ống tiêu hóa Một số nghiên cứu cho thấy có vai trị điều hịa tiêu hố Động vật ăn cỏ thủy phân cellulose nhờ enzyme cellulase

Cellulose không tan nước, tan dung dịch Schweitzer Khi đun nóng với H2SO4, cellulose bị thủy phân thành phân tử β D-glucose

Cellulose có dạng hình sợi dài, nhiều sợi kết hợp song song với thành chùm nhờ liên kết hydro, chùm (micelle) chứa khỏang 60 phân tử cellulose Giữa chùm có khoảng trống, hố gỗ khoảng trống chứa đầy lignin ta xem lớp lignin lớp cement Lignin chất trùng hợp coniferylic alcohol

1.3.1.3 Hemicellulose

Tên gọi chung cho lớp polysaccharide thường theo với cellulose thực vật Hemicellulose không tan nước, tan dung dịch kiềm thủy phân acid dễ cellulose

Khi bị thủy phân hemicellulose tạo thành hổn hợp gồm hexose pentose hay hexose mà thơi Trong hemicellulose monose chiếm đa số hemicellulose có tên tương ứng với monose đó:

Xylose chiếm đa số hemicellulose có tên Xylan, Arabinose chiếm đa số hemicellulose có tên Araban, Galactose chiếm đa số hemicellulose có tên Galactan Xylan có nhiều rơm rạ, số quan thực vật, galactose có nhiều rơm, gổ loại hạt

1.3.1.4 Inulin

Là polysacchride dự trữ thực vật có trọng lượng phân tử khoảng 5000-6000, phân tử β D- fructose liên kết với liên kết 1-2 tận phân tử saccharose Inulin tìm thấy củ thược dược khoảng 40% Người ta xử dụng inulin để sản xuất fructose Để xác định inulin người ta thủy phân xác định phản ứng định tính Seliwanoff

1.3.1.5 Pectin

Là loại polysaccharide có nhiều , củ thân cây, thành phần galacturonic acid có nhóm -COOH bị methyl hóa Người ta sử dụng rộng rãi pectin sản xuất keo

1.3.2 Polysaccharide động vật

1.3.2.1 Glycogen

Là polysaccharide dự trử động vật tìm thấy gan cơ, cịn tìm thấy số thực vật ngơ, nấm

Phía ngồi glucose liên kết 1-6

Mạch hạt glycogen tế bào gan 1.3.2.2 Hyaluronic acid

Có cơng thức cấu tạo lập lại từ đơn vị sau:

cho dịch có tính trơn giúp cử động khỏi bị đau Hyaluronic acid bị thủy phân hyaluronidase, enzyme tìm thấy vi khuẩn gây bệnh, tinh trùng Hyaluronidase tạo dễ dàng cho tinh trùng vào nỗn buồn trứng, mặt khác yếu tố giúp cho chất khác vi khuẩn gây bệnh vào mô thể

1.3.2.3 Chondroitin

Là heteropolysaccharide, thành phần thiếu mô xương sụn

1.3.2.4 Heparin

Heteropolysaccharide có tác dụng chống lại đơng máu ngăn chặn biến đổi prothrombin thành thrombin

GlcA2S IdoA2S

1.3.3 Một số polysaccharide phổ biến khác

1.3.3.1 Chitin

1.3.3.2 Dextran

Dextran có độ dài hình dạng giống albumin, người ta thường dùng nhiệt để thủy phân khơng hồn tồn dextran nhằm thay protein huyết tương , dung dịch 10% hồn tồn suốt Trong cơng nghệ người ta tổng hợp dextran gọi sephadex để sử dụng tách phần protein

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tài liệu tiếng Việt

1 Phạm Thị Trân Châu, Trần thi Áng 1999 Hoá sinh học, NXB Giáo dục, Hà Nội

2 Đỗ Quý Hai 2004 Giáo trình Hóa sinh đại cương, Tài liệu lưu hành nội Trường ĐHKH Huế

3 Trần Thanh Phong.2004 Giáo trình Hóa sinh đại cương, Tài liệu lưu hành nội Trường ĐHKH Huế

4 Lê Ngọc Tú (chủ biên), Lê Văn Chứ, Đặng Thị Thu, Phạm Quốc Thăng Nguyễn Thị Thịnh, Bùi Đức Hợi, Lưu Duẫn, Lê Dỗn Diên, 2000 Hóa sinh Cơng nghiệp, Nxb KH&KT, Hà Nội

Tài liệu tiếng Anh

1 Gilbert H F 1992 Basic concepts in biochemistry, Copyright by the Mcgraw- Hill companies, Inc

Chương 2

Lipid

Cũng saccharide, protein, lipid chất hữu phức tạp, ta định nghĩa sau:

* Định nghĩa rộng: Lipid chất tan dung môi hữu cơ, không tan nước, định nghĩa khơng phản ánh hết tính chất lipid vì:

- Có lipid khơng tan dung môi hữu phospholipid không tan aceton

- Nhưng có chất lipid tan dung môi hữu

* Định nghĩa hẹp: Lipid ester rượu acid béo Tuy nhiên có lipid acid béo liên kết với rượu liên kết peptide

* Định nghĩa dung hoà: Lipid chất chuyển hoá acid béo tan dung môi hữu

Lipid phổ biến động vật thực vật tồn dạng mỡ nguyên sinh chất (dạng liên kết) dạng dự trữ (dạng tự do)

- Mỡ nguyên sinh chất: thành phần màng tế bào bào quan khác ví dụ: ty thể, lạp thể dạng không bị biến đổi người bị bệnh béo phì bị đói

- Dạng dự trữ (dạng tự do) có tác dụng cung cấp lượng cho thể, bảo vệ nội quan, dung môi cần thiết cho số chất khác

Căn vào thành phần nguyên tố có mặt, người ta chia lipid làm loại * Lipid đơn giản: phân tử chứa C, H, O

* Lipid phức tạp: ngồi C, H, O cịn có số nguyên tố khác N, P, S

2.1 Lipid đơn giản

2.1.1 Glycerid

1- Stearoyl, 2- linoleoyl, 3-palmitoyl glycerol, một triacylglycerol hỗn tạp

2.1.1.1 Glycerol

Là triol không màu, vị nhờn Khi đốt glycerol hay lipid có chứa glycerol với chất hút nước tạo acrolein có mùi khét

2.1.1.2 Acid béo

Acid béo thường gặp acid béo có số carbon chẵn, mạch thẳng, no hay khơng no chuỗi C xếp theo hình chữ chi

Tuy nhiên có acid béo ngồi nhóm chức acid cịn chứa nhóm chức khác rượu, ketone, mạch carbon có vịng hay nhánh a Acid béo chẵn, thẳng, no: CH3(CH2)nCOOH

C12 n=10 lauric acid có dầu dừa C14 n=12 myristic acid có dầu dừa

C16 n=14 palmitic acid có dầu động vật,thực vật C18 n=16 stearic acid có dầu động vật,thực vật C20 n=18 arachidic acid có dầu lạc

b Acid béo chẵn, thẳng, không no

- Chứa nối đôi (C’): 10

C’16 (Δ9-10): CH3-(CH2)5 -CH = CH- (CH2)7–COOH Palmitoleic acid : Tìm thấy dầu thực vật C’18 (Δ9-10): CH3-(CH2)7 -CH = CH- (CH2)7 –COOH Oleic acid: acid có ba đồng phân

C’18 (Δ6-7): Petroselenic acid C’18 (Δ11-12): Vaccenic acid C’18 (Δ12-13): Heparic acid - Acid béo có nối đơi (C’’): C’’18 (Δ9-10,12-13): Linoleic acid

CH3-(CH2)4 -CH = CH- CH2-CH=CH-(CH2)7-COOH

Cơ thể khơng tổng hợp acid mà lấy từ ngồi vào Ngày xưa người ta quan niệm acid vitamin gọi vitamin S Nhưng thực chất acid béo mà thể cần với lượng lớn

- Acid béo có chứa nối đôi (C’’’):

C18’’’((9-10,12-13,15-16): Linolenic acid, thể không tổng hợp acid

- Acid béo có nối đôi (C’’’’):

C20’’’’ (Δ5-6,8-9,11-12,14-15): Arachidonic acid

Ngồi cịn có acid béo có chứa nối ba khơng quan trọng c Acid béo có chứa chức rượu

Thường gặp lipid phức tạp chứa nhóm rượu gần chức acid nên có tên α- hydroxy

α

R-CH-COOH

Ví dụ: α - hydroxy lynoceric acid CH3 -(CH2 )21- CH-COOH

OH Ricinoleic acid

CH3-(CH2)5 - CH - CH2 - CH = CH- (CH2)7 - COOH 10

OH

d Gốc R phân tử acid có nhánh có số C lẻ Phocenic acid: CH3

CH3 CH – CH2 – COOH Undecylonic acid : CH2 = CH - (CH2)8 - COOH e Acid béo có vịng

* Chaulmoogric acid: - (CH2)12 - COOH

* Sfe C

rculic acid: H3 - CH2 - C = C - (CH2)7 - COOH CH2

2.1.1.3 Tính chất acid béo triglyceride * Tính chất vật lý:

a Điểm tan chảy

Điểm tan chảy phụ thuộc vào số C acid béo, acid béo có chuỗi C dài điểm tan chảy cao ngược lại Nhưng acid béo có C lẻ có điểm tan chảy thấp acid béo có số C nhỏ đơn vị Ngồi độ tan chảy cịn phụ thuộc vào số nối đơi phân tử acid béo, acid béo chứa nhiều nối đơi điểm tan chảy thấp

b Độ sôi

Acid béo có chuỗi C dài độ sơi cao, thường áp dụng tính chất để tách acid béo khỏi

c Tính hồ tan

- Trong nước: acid béo có chuỗi C ngắn (4,6,8) dễ tan, C10 khó tan, C12 khơng tan Nếu acid béo dạng muối dễ hịa tan

- Trong dung môi hữu phân cực aceton, acid béo khó hồ tan hay hồ tan

* Tính chất hoá học: a Sự hydrogen hoá

Acid béo chưa no kết hợp với H2 để tạo thành acid béo no R - (CH2)n - CH =CH- (CH2)n - COOH + H2

R - (CH2)n -CH2 - CH2 - (CH2)n - COOH

Người ta dùng phản ứng để chế tạo thực phẩm margarin b Sự halogen hố

Acid béo khơng no kết hợp với nguyên tố thuộc họ halogen (F, Cl, Br, I) để tạo thành acid béo no

R - (CH2)n - CH = CH- (CH2)n - COOH + I R - (CH ) - CH - CH- (CH2 n 2)n - COOH

I I

Có thể dùng phản ứng để xác định số nối đôi phân tử acid béo Phản ứng dễ dàng hay khó xẩy tuỳ thuộc vào vị trí nối đơi nhóm carboxyl, nối đơi gần nhóm carboxyl phản ứng khó xảy

Để xác định số nối đôi người ta vào số Iod

Chỉ số Iod: Là số gam Iod cần thiết để tác dụng lên 100gam chất

béo Do số iod lớn số nối đôi nhiều

c Sự thuỷ phân:

Ester nên thuỷ phân tạo thành rượu glycerol acid béo Tác nhân thủy phân acid, kiềm, nước hay enzyme

* Thủy phân nước cần nhiệt độ áp suất cao * Thủy phân kiềm: NaOH hay KOH

Chỉ số xà phịng hố: số mg KOH cần thiết để trung hoà 1g chất béo

Do số xà phịng lớn độ dài mạch ngắn, nên dùng để xác định độ dài mạch C

Để xác định tính chất chất béo người ta vào số số khác số acid

Chỉ số acid: số mg KOH dùng để trung hoà tất acid béo tự

* Thuỷ phân enzyme: thể lipid bị thuỷ phân enzyme lipase

- Lipase dịch tràng tác dụng vào vị trí β - Lipase tụy tạng tác dụng vào vị trí α α’ d Sự hóa:

Dầu mỡ để lâu có mùi vị khó chịu gọi hóa, ngun nhân gây oxy khơng khí kết hợp vào nối đôi tạo thành peroxide Nếu oxy kết hợp vào ngun tử carbon đứng cạnh liên kết đơi tạo thành hydrogen peroxide Sau peroxide hydrogen peroxide bị phân giải để tạo thành aldehyde ketone Các aldehyde ketone chất có mùi vị khó chịu

2.1.2 Cerid

Cũng ester rượu acid béo, nhiệt độ thường thể rắn, có động thực vật, thực vật thường tạo thành lớp mỏng phủ lên lá, thân, Công thức tổng quát:

R – O – CO – R

Rượu cerid rượu cao phân tử, chứa nhóm OH , mạnh C khơng phân nhánh, mạch C có vịng Ví dụ: Rượu cetol:CH3 - (CH2)14-CH2OH

Sáp ong, sáp cá voi (spermaceti) ester rượu cetol palmitic acid

Ngồi sáp ong sáp cá voi cịn có rượu tự do, acid béo tự hydrocarbon

2.1.3 Sterid

2.1.3.1.Cholesterol

Cholesterol bao gồm nhân phenanthrene kết hợp với cyclopentan tạo thành cyclopentanoperhydrophenanthrene Cholesterol có mang nhóm rượu C3, nối đôi C5 - C6 gốc CH3 C10, C13 nhánh isooctan C17

Cholesterol có động vật, máu có khoảng 2.10-3, có nhiều óc, mơ lách, gan, da có chứa cholesterol hay chất chuyển hố Cholesterol đựơc tìm thấy sạn mật, sạn mật dẫn mật đến ruột non bị nghẽn, mật chứa nhiều cholesterol nên kết tủa lại thàng sạn mật Cholesterol chất quan trọng sinh tổng hợp acid mật, vitamin D nhiều chất khác

Cholesterol + acid béo cholesterid

Trong thiên nhiên, sterol trạng thái tự nhiều trạng thái sterid Ở thể người, 10% sterol bị ester hóa tạo thành sterid Tỷ lệ sterol sterid mô khác khơng giống

* Lý tính cholesterol: kết tinh dạng vảy óng ánh xà cừ, dạng kết tinh khác tuỳ theo môi trường kết tinh

* Hố tính:

- Phản ứng màu:

+ Phản ứng Liebermann: Cholesterol cho màu xanh lục, màu bền nhiều giờ, phản ứng dùng để xác định cholesterol bệnh viện

+ Phản ứng Salkowski: Cholesterol cho vành màu đỏ 2.1.3.2 Acid mật:

Acid mật tìm thấy động vật có vú gồm dạng sau: cholic acid, deoxycholic chenodeoxycholic acid

Acid mật chất độc người Vì mật, acid mật liên kết với acetamin tạo thành chất độc

Ngồi cholesterol acid mật cịn có sterol khác có nguồn gốc động vật hormone nang thượng thận, hormone tuyến sinh dục, sterol có nguồn gốc thực vật ergosterol, stigmasterol

2.2 Lipid phức tạp

Khác với lipid tự có nhiệm vụ cung cấp lượng , hàm lượng thay đổi Lipid phức tạp có nhiệm vụ tham gia xây dựng cấu tử tế bào, hàm lượng không thay đổi hay thay đổi

2.2.1 Glycerophospholipid (phosphatid)

Chúng ta hình dung cấu tạo chung glycerophospholipid sau:

Lecithin: Lúc X choline nên lecithin cịn gọi choline phosphatid

Lecithin có nhiều lòng đỏ trứng gà, đậu nành, máu, dây thần kinh Qua cấu tạo ta nhận thấy gồm phần

- Phần không phân cực bao gồm gốc acid béo, rượu glycerol ghét nước

Do có cấu tạo nên lecithin nước tạo thành dung dịch gọi dung dịch giả

Nhờ đặc tính vừa ưa nước, vừa ghét nước mà phospholipid tham gia việc bảo đảm tính thấm chiều màng cấu trúc tế bào

Lecithin bị thuỷ phân acid, kiềm hay enzyme: * Thuỷ phân acid: tất liên kết ester bị cắt đứt

* Thuỷ phân kiềm: ta acid béo dạng muối, glycerophosphate choline Nhưng choline bị phân hủy trimetylamin Với kiềm nhẹ cắt liên kết ester rượu acid béo

* Thuỷ phân enzyme: có loại enzyme lecithinase A, B, C D tác động lên liên kết ester khác nhau:

B α CH2O - CO - R1

A

β CHO - CO - R2 C

OH α’CH2O - PO D

Lecithinase A cắt liên kết vị trí β lecithin cho acid béo lisolecithin

Cephalin: Trong cấu tạo cephalin X colamine α CH2O-CO-R1

β CHO-CO- R2 O

α’CH2O-P = O

Tương tự lecithin, cephalin (X ethanolamine) có cấu tao gồm hai phần ưa nước ghét nước, thành phần dây thần kinh có nhiều não

Lisocephalin tạo thành cắt liên kết ester vị trí β, có tính chất phá hủy hồng cầu lisolecithin

Serinphosphatid: Gọi serinphosphatid X serine

Trong thể: lecithin, cephalin, serinphosphatid thường gặp dạng hổn hợp có biến đổi tương hổ serine, choline colamine

2.2.2 Sphingophospholipid

Đây lipid phức tạp, rượu đa nguyên tử sphingosine Acid béo liên kết với rượu sphingosine liên kết peptid Tùy theo X ta có loại sphingophospholipid khác

Acid béo

stearic hay nervonic Sphingophospholipid diaminophospholipid, khác với phosphatid monoaminophospholipid

Sphingophospholipid không tan ethylic ether, dựa vào tính chất để tách chúng khỏi hỗn hợp lipid

2.2.3.Glycolipid

Glycolipid lipid phức tạp khơng chứa phospho, thành phần chúng có chứa hexose, thường galactose hay dẫn xuất galactose, đơi glucose Thuộc nhóm có MGDG, DGDG sulfolipid phổ biến lục lạp thành phần khác tế bào

6-Sulfo-6-deoxy-α-D-glucopyranosyldiacyglycerrol

(sulfolipid) 2.2.4 Sphingolipid

Các cerebroside khác thành phần acid béo, có nhiều mơ thần kinh, hồng cầu, bạch cầu, tinh trùng…

Ganglyoside: cấu tạo giống cerebroside X phức hợp oligosaccharide

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tài liệu tiếng Việt

1 Phạm Thị Trân Châu, Trần thi Áng 1999 Hoá sinh học, NXB Giáo dục, Hà Nội

2 Đỗ Q Hai.2004 Giáo trình Hóa sinh đại cương, Tài liệu lưu hành nội Trường ĐHKH Huế

3 Trần Thanh Phong.2004 Giáo trình Hóa sinh đại cương, Tài liệu lưu hành nội Trường ĐHKH Huế

4 Lê Ngọc Tú (chủ biên), Lê Văn Chứ, Đặng Thị Thu, Phạm Quốc Thăng Nguyễn Thị Thịnh, Bùi Đức Hợi, Lưu Duẫn, Lê Dỗn Diên, 2000 Hóa sinh Công nghiệp, Nxb KH&KT, Hà Nội

Phức hợp ologosaccharide

Acid béo

Tài liệu tiếng Anh

1 LehningerA.L 2004 Principles of Biochemistry, 4th Edition W.H Freeman

2 Mead, Alfin-Slater, Howton & Popják 1986 Lipids: Chemistry, biochemistry and nutrion, Plenum, New York

Chương

Protein

Protein hợp chất hữu có ý nghĩa quan trọng bậc thể sống, mặt số lượng, protein chiếm không 50% trọng lượng khô tế bào; thành phần cấu trúc, protein tạo thành chủ yếu từ amino acid vốn nối với liên kết peptide Cho đến người ta thu nhiều loại protein dạng tinh thể từ lâu nghiên cứu kỹ thành phần nguyên tố hố học phát thơng thường cấu trúc protein gồm bốn nguyên tố C, H, O, N với tỷ lệ C ≈ 50%, H ≈ 7%, O ≈ 23% N ≈ 16% Đặc biệt tỷ lệ N protein ổn định (lợi dụng tính chất để định lượng protein theo phương pháp Kjeldahl cách tính lượng N nhân với 6,25) Ngồi protein cịn gặp số nguyên tố khác S ≈0-3% P, Fe, Zn, Cu

Phân tử protein có cấu trúc, hình dạng kích thước đa dạng, khối lượng phân tử (MW) tính Dalton (1Dalton = 1/1000 kDa, đọc kiloDalton) loại protein thay đổi giới hạn rộng, thông thường từ hàng trăm hàng triệu ví dụ: insulin có khối lượng phân tử 5.733; glutamat-dehydrogenase gan bò có khối lượng phân tử 1.000.000, v.v

Từ lâu người ta biết protein tham gia hoạt động sống thể sinh vật, từ việc tham gia xây dưng tế bào, mô, tham gia hoạt động xúc tác nhiều chức sinh học khác 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 “Sống phương thức tồn thể protein” Với phát triển khoa học, vai trò ý nghĩa protein sống khẳng định Cùng với nucleic acid, protein sở vật chất sống

3.1 Amino acid

3.1.1 Cấu tạo chung

Trong phân tử amino acid có nhóm COOH NH2 gắn với carbon vị trí α Hầu hết amino acid thu nhận thuỷ phân protein dạng L-α amino acid Như protein khác mạch nhánh (thường ký hiệu: R)

Hình: 3.1 Cơng thức cấu tạo chung amino acid 3.1.2 Phân loại amino acid

Hiện người ta phân loại amino acid theo nhiều kiểu khác nhau, kiểu phân loại có ý nghĩa mục đích riêng Tuy nhiên, họ dựa cấu tạo hố học số tính chất gốc R Ví dụ có người chia amino acid thành nhóm nhóm mạch thẳng nhóm mạch vịng

Trong nhóm mạch thẳng lại tuỳ theo có mặt số nhóm carboxyl hay số nhóm amine mà chia thành nhóm nhỏ, nhóm amino acid trung tính (chứa nhóm COOH nhóm NH2); nhóm amino acid kiềm (chứa nhóm COOH hai nhóm NH2); nhóm amino acid acid (chứa hai nhóm COOH nhóm NH )

Trong nhóm mạch vịng lại chia thành nhóm đồng vịng hay dị vịng v.v

Có người lại dựa vào tính phân cực gốc R chia amino acid thành nhóm: nhóm khơng phân cực kỵ nước, nhóm phân cực khơng tích điện, nhóm tích điện dương nhóm tích điện âm

Tuy nhiên, cách phân loại amino acid nhiều người sử dụng dựa vào gốc R amino acid chia làm nhóm:

Hình 3.2 Cơng thức cấu tạo amino acid nhóm I

Nhóm II Gồm amino acid có gốc R chứa nhân thơm, phenylalanine, tyrosine tryptophan (Hình 3.3.)

Nhóm III Gồm amino acid có gốc R phân cực, khơng tích điện, serine, theonine, cysteine, aspargine glutamine (Hình 3.4)

Hình: 3.4 Cơng thức cấu tạo amino acid nhóm III

Nhóm IV Gồm amino acid có R tích điện dương, lysine, histidine arginine, phân tử chứa nhiều nhóm amin (hình 3.5)

Nhóm V Gồm amino acid có gốc R tích điện âm, aspartate glutamate, phân tử chứa hai hóm carboxyl (hình 3.6)

Hình 3.6 Cơng thức cấu tạo amino acid nhóm V 3.1.3 Các amino acid thường gặp

Các amino acid thường gặp amino acid thường có mặt thành phần loại protein Chúng có khoảng 20 loại thu nhận thuỷ phân protein Các loại amino acid có tên gọi, khối lượng phân tử ký hiệu trình bày bảng 3.1

3.1.4 Các amino acid thay

Các amino acid hình thành nhiều đường khác Như biết, phân tử protein có khoảng 20 loại amino acid, nhiên thể người động vật không tổng hợp tất loại mà phải đưa từ vào qua thức ăn Những amino acid phải đưa từ vào gọi amino acid khơng thể thay Người ta biết có khoảng 8-10 loại amino acid thay bao gồm: Met, Val, Leu, Ile, Thr,Phe, Trp, Lys, Arg His ngày người ta xem Cys là amino acid thay

3.1.5 Các amino acid gặp

bào, chúng chất tiền thân sản phẩm trung gian q trình chuyển hố thể

Bảng 3.1 Các amino acid thường gặp

Tên amino acid

Tên amino acid gọi theo danh pháp hoá học

Tên viết tắt

Ký hiệu

Khối lượng (MW)

Glycine α-aminoacetic acid Gly G 75 Alanine α-aminopropionic acid Ala A 89 Proline α-pyrolydilcarboxylic acid Pro P 115 Valine α-aminoisovaleric acid Val V 117 Leucine α-aminoisocaproic acid Leu L 131 Isoleucine α-amino-β-metylvaleric acid Ile I 131 Methionine α-amino-γ-metylthiobutyric acid Met M 149 Phenylalanine α-amino-β-phenylpropionic acid Phe F 165 Tyrosine α-amino-β- Tyr Y 181

hydroxyphenylpropionic acid

Tryptophan α-amino-β-indolylpropionic acid Trp W 204 Serine α-amino-β-hydoxypropionic acid Ser S 105 Threonine α-amino-β-hydroxybutiric acid Thr T 119 Cysteine α-amino-β-thiopropionic acid Cys C 121 Aspargine amid aspartate Asn B 132 Glutamine amid glutamate Gln Q 146 Lysine α,ε diaminocaproic acid Lys K 146 Histidine α-amino-β-imidazolpropionic acid His H 155 Arginine α-amino-δ-guanidinvaleric acid Arg R 174 Aspartate α-aminosuccinic acid Asp D 133 Glutamate α-aminoglutarate Glu E 147

3.1.6 Một số tính chất amino acid

3.1.6.1 Màu sắc mùi vị amino acid

ngọt hay cịn gọi mì muối natri với glutamic acid (monosodium glutamate)

3.1.6.2 Tính tan amino acid

Các amino acid thường dễ tan nước, amino acid khó tan alcohol ether (trừ proline hydroxyproline), chúng dễ hoà tan acid kiềm loãng (trừ tyrosine)

3.1.6.3 Biểu tính quang học amino acid

Hình 3.7 Đồng phân lập thể alanine

Các amino acid phân tử protein có carbon bất đối (trừ glycine) có biểu hoạt tính quang học, nghĩa làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực sang phải sang trái Quay phải ký hiệu dấu (+), quay trái ký hiệu dấu (-) Góc quay đặc hiệu amino acid phụ thuộc vào pH môi trường

Tuỳ theo xếp cấu trúc phân tử nhóm liên kết với carbon bất đối mà amino acid có cấu trúc dạng D hay L (hình 3.7) gọi đồng phân lập thể Số đồng phân lập thể tính theo 2n (n số carbon bất đối)

Phần lớn protein chứa tyrosine nên người ta sử dụng tính chất để định lượng protein

Độ hấp phụ

λ - Bước sóng(nm)

Hình 3.8 Phổ hấp thụ ánh sáng cực tím tryptophan tyrosine

3.1.6.4 Tính lưỡng tính amino acid

Trong phân tử amino acid có nhóm carboxyl -COOH nên có khả nhường proton (H+) thể tính acid, mặt khác có nhóm amin- NH2 nên có khả nhận proton nên thể tính base Vì amino acid có tính chất lưỡng tính

Trong mơi trường acid, amino acid dạng cation (tích điện dương), tăng dần pH amino acid nhường proton thứ chuyển qua dạng lưỡng cực (trung hoà điện), tiếp tục tăng pH amino acid nhường proton thứ hai chuyển thành dang anion (tích điện âm) Vì đơi người ta coi di-acid

cation lưỡng cực anion

Tương ứng với độ phân ly H+ nhóm COOH NH3+ có trị số pK1 pK2 (biểu thị độ phân ly nhóm 1/2) Từ trước tiên chuyển sang dạng lưỡng tính sau chuyển thành dạng anion

Độ phân ly H+

Hình 3.10 Đường cong chuẩn độ glycine nồng độ M 25OC

Người ta xác định pH (pI= pH đẳng điện) = pK + pKi / Ví dụ hồ tan glycine vào mơi trường acid mạnh glycine dạng cation Nếu tăng dần lượng kiềm, thu đường cong chuẩn độ Trên đường cong chuẩn độ thấy glycine nhường proton trước Tương đương độ phân ly nhóm COOH nửa có trị số pK1= 2,34 độ phân ly NH nửa có trị số pK3+ 2= 9,60 Như ta có

2,34 + 9,60

Bảng: 3.2 Các trị số pK amino acid thường gặp

Các trị số pK pI

Tên

amino acid pK (của COOH) pK (của NH ) pK+

1 2 3 R(của R)

5,97 9,60 2,34 Glycine 6,01 9,60 2,34 Alanine 6,48 10,96 1,99 Proline 5,97 9,62 2,32 Valine 5,98 9,60 2,36 Leucine 6,02 9,68 2,36 Isoleucine 5,74 9,21 2,28 Methionine 5,48 9,13 1,83 Phenylalanine 5,66 10,07 9,11 2,20 Tyrosine 5,89 9,39 2,38 Tryptophan 5,68 9,15 2,21 Serine 5,87 9,62 2,11 Theonine 5,07 8,18 10,28 1,96 Cysteine 5,41 8,80 2,02 Aspargine 5,65 9,13 2,17 Glutamine 9,74 10,53 8,95 2,18 Lysine 7,59 6,00 9,17 1,83 Histidine 10,76 12,48 9,04 2,17 Arginine 2,77 3,65 9,60 1,88 Aspartate 3,22 4,25 9,67 2,19 Glutamate

Mặt khác pK1 + phân ly H+ nhóm COO glycine -99%, 1% dạng COOH pK2 -2 dạng NH3+ 99%, 1% dạng NH Như vùng pH từ pK + đến pK2 -2, phân tử glycine chủ yếu dạng lưỡng tính kết ta có vùng đẳng điện Ngồi amino acid gốc R có thêm nhóm COOH hay NH2 phân ly chúng có thêm trị số phân ly nữa-pKR (xem bảng 3.2)

3.1.7 Các phản ứng hoá học amino acid

- Phản ứng gốc R

Do amino acid có cấu tạo gốc R khác nhau, nên người ta dùng để xác định amino acid riêng rẽ nhờ phản ứng đặc trưng nó, ví dụ phản ứng oxy hố khử nhóm SH cysteine, phản ứng tạo muối nhóm COOH hay NH2 glutamate hay lysine, phản ứng tạo ester nhóm OH tyrosine v.v

- Phản ứng chung

Là phản ứng có tham gia hai nhóm α- COOH α- NH2 Tất amino acid phân tử protein phản ứng với hợp chất ninhydrin tạo thành phức chất màu xanh tím, riêng imino acid proline tạo thành màu vàng Phản ứng thực qua số bước sau:

Dưới tác dụng ninhydrin nhiệt độ cao, amino acid tạo thành NH3, CO2 aldehide, mạch polypeptide ngắn môt carbon; đồng thời ninhydrin chuyển thành diceto oxy hindriden Diceto oxy hindriden, NH3 tạo thành tiếp tục phản ứng với phân tử ninhydrin khác để tạo thành phức chất màu xanh tím (hình 3.11)

Hình 3.11 Phản ứng protein với ninhydrin

- Phản ứng riêng biệt

Có thể chia phản ứng riêng biệt theo hai nhóm α- COOH α- NH2 + Các phản ứng nhóm α- COOH Ngồi phản ứng nhóm COOH thơng thường tạo ester, tạo amid, tạo muối cịn có phản ứng đạc trưng khác bị khử thành hợp chất rượu amino xúc tác NaBH4

R-NH CH-COOH R-NH CH-CH OH 2

+ Các phản ứng nhóm α- NH2 Nhiều phản ứng nhóm amine dùng để định tính định lượng tiêu amino acid như:

Để định lượng nitrogen amino acid người ta cho phản ứng với HNO để giải phóng N2

R-CH-COOH R-CH-COOH

+ HNO OH + N

NH2 2 + H O

Để định lượng amino acid người ta cho phản ứng với aldehyde tạo thành base schiff

Để xác định amino acid đầu N-tận người ta cho tác dụng với 2-4 dinitrofluobenzen (phản ứng Sanger) hay phenyliothiocyanate (phản ứng Edman)

3.2 Peptide

3.2.1 Khái niệm chung

Peptide protein thường có cấu trúc đoạn ngắn khoảng từ hai đến vài chục amino acid nối với nhau, có khối lượng phân tử thường 6.000 Chúng tổng hợp tự nhiên hình thành thối hố protein Trong peptide amino acid liên kết với thơng qua liên kết peptide (hình 3.12)

Hình 3.12 Sự tạo thành liên kết peptide

dạng lai (trung gian) bị phần ghép đơi liên kết π (hình 3.13) Người ta cho tỷ lệ liên kết kép khoảng 30% liên kết C-N 70% với liên kết C O Như đầu chuỗi peptide amino acid có nhóm α -amine (α-NH2) tự gọi đầu N- tận đầu có nhóm α - carboxyl (α -COOH) tự gọi đầu C tận Liên kết peptide tạo nên khung chuỗi polypeptide, cịn gốc R tạo nên mạch bên chuỗi (hình 3.14)

Dạng cộng hoá trị ρ Dạng ion ρ+π

Dạng lai (hybrid)

Hình 3.13 Sự tồn dạng liên kết peptide

Mạch

Mạch bên

Hình 3.14 Mạch bên khung chuỗi polypeptide 3.2.2 Các phương pháp xác định peptide

amino acid tự với dipeptide Trong môi trường kiềm mạnh, liên kết peptide phản ứng với CuSO4 tạo thành phức chất màu tím đỏ (hình 3.15.) có khả hấp thụ cực đại bước sóng 540 nm

Đây phản ứng sử dụng rộng rãi để định lượng protein Phương pháp xác định protein theo Lowry dựa nguyên tắc phản ứng cách thêm thuốc thử Folin-Ciocalteau để làm tăng độ nhạy phản ứng sau thực phản ứng biure, đồng thời dựa vào gốc Tyr, Try nhờ thuốc thử để tạo phức màu xanh da trời

O- O-

C =NH HN = C

HN O Cu O NH C

C NH HN

Hình 3.15 Phức màu tím đỏ phản ứng Biure

Có số phương pháp tách phân lập xác định thành phần, số lượng trình tự amino acid peptide

Về nguyên tắc chung phương pháp tách phân lập xác định peptide protein Tuy nhiên peptide đoạn ngắn chuỗi polypeptide, bỏ qua giai đoạn cắt chuỗi polypeptide thành peptide nhỏ mà tách, phân lập phương pháp điện di hay sắc ký để tách riêng peptide

Sau tách riêng peptide, tiến hành thuỷ phân hoàn toàn thành amio acid tự do, xác định amino acid , amino acid đầu N-tận amino acid đầu C-tận Các liệu thu qua phân tích so sánh đối chiếu tổng hợp lại

Ví dụ, Puppy Bodo phân tích peptide dịch thuỷ phân Cytocrom C thu kiện sau đây:

- Dùng phương pháp Sanger xác định amino acid đầu N-tận Cys phương pháp carboxypeptidase xác định amino acid đầu C - tận Lys

- Cấu tạo peptide nhỏ (bằng cách thuỷ phân phần ban đầu xác định amino acid, amino acid đầu N - tận amino acid đầu C - tận peptide nhỏ):

Cys- Ala Glu- Cys (Val- Glu) Cys-(Ala,Glu) Cys- His Thr (Val, Glu) Ala- Glu Glu (Cys, His) Glu- Lys Thr (Val, Glu, Lys) Tổng hợp kiên trên, họ xác định trình tự amino acid peptide nghiên cứu là:

H N-Cys-Ala-Glu-Cys-His-Thr-Val-Glu-Lys-COOH

Đây nguyên tắc chung để xác định trình tự peptide Tuy nhiên peptide dài, việc xác định phức tạp

3.2.3 Các peptide thường gặp thiên nhiên

Trong tự nhiên tồn nhiều dạng peptide có chức phận quan liên quan đến hoạt động sống thể hormon, chất kháng sinh hay chất tiền thân tế bào vi khuẩn v.v Bên cạnh có peptide chức phận chưa rõ ràng, có peptide sản phẩm thuỷ phân dang dở protein Trong phạm vi giáo trình xin giới thiệu số peptide quan trọng,có nhiều ý nghĩa cho hoạt động sống sinh vật

3.2.3.1 Glutathion chất tương tự

Glutathion tripeptide γ-glutamyl-cysteyl-glycine có cơng thức cấu tạo sau:

CH SH

NH2

HOOC-CH-CH -CH -CO-NH-CH-CO-NH-CH -COOH 2

nhường hydrogen (H) để thành dạng oxy hố (GSSG) ngược lại nhận Hđể thành dạng khử:

-2H

2GSH G-S-S-G +2H

Nhờ phản ứng trên, glutathion đóng vai trị hệ thống oxy hoá khử (vận chuyển hydrogen) Glutathion peptide nội bào phổ biến nhất, phân bố nhiều mô quan như: gan, thận, lách, tim, phổi, hồng cầu v.v

3.2.3.2 Các hormone sinh trưởng (HGH)

Hormone sinh trưởng người (HGH-human growth hormone) cịn có tên gọi STH (somatotropin hormone) chuỗi polypeptide bao gồm 191 amino acid có khối lượng phân tử 20.000 Trong cấu trúc có hai cầu disulfua tạo thành amino acid 53 -165 amino acid 182-189 Hoạt động sinh học HGH chuỗi gồm 134 amino acid HGH có cấu tạo giống với hormon lactogen rau thai (85% amino acid giống nhau) gần giống prolactin người (32% amino acid giống nhau)

Hormon sinh trưởng có tác dụng tăng trưởng nói chung, kích thích tạo sụn tạo xương, hormon chuyển hố Hormon sinh trưởng kích thích tổng hợp protein từ amino acid vận chuyển dễ dàng vào tế bào nhờ chúng, hormon gây tăng đường huyết, sinh đái tháo đường, đồng thời kích thích thoái hoá lipid để đảm bảo nhu cầu lượng cho thể, gây tăng acid béo tự huyết tương

3.2.3.3 Insulin

Từ 1953, Sanger (giải thưởng Nobel 1958) nghiên cứu, tinh chế xác định hoàn toàn cấu trúc phân tử insulin Phân tử insulin bao gồm 51 amino acid, có cấu trúc gồm chuỗi polypeptide, với khối lượng phân tử 5.700 chuỗi A có 21 amino acid, chuỗi B có 30 amino acid Hai chuỗi nối với cầu disulfua Trong chuỗi A hình thành cầu disulfua amino acid thứ amino acid thứ 11 Phần đặc hiệu (đặc trưng loài) tập trung vào amino acid thứ 8-9-10, 12-14 chuỗi A đặc biệt amino acid thứ 30 chuỗi B (hình 3.16)

Người ta xác định cấu trúc ba chiều insulin thấy cấu trúc phân tử insulin giử vững nhiều liên kết muối, liên kết hydro liên kết cầu disulphate chuỗi A chuỗi B

Insulin có tác dụng rõ tất hormon tuyến tuỵ, đặc biệt q trình chuyển hố glucid, có tác dụng hạ đường huyết Insulin cịn kích thích q trình tổng hợp ức chế q trình thối hố glycogen cơ, gan mơ mỡ Đặc biệt, insulin tăng cường tổng hợp acid béo, protein kích thích đường phân Tác dụng quan trọng insulin kích thích thâm nhập glucose, số ose, amino acid trogn tế bào mỡ Do insulin làm giảm lượng glucose máu Ngoài insulin làm giảm tân tạo glucose làm giảm nồng độ enzyme pyruvat carboxylase fructose 1-6 diphosphatase

3.2.3.4 Oxytocin, Vasopressin Vasotocin

Oxytocin peptide có amino acid Ở động vật có vú, oxytocin khác thay đổi amino acid là: amino acid vị trí thứ ba isoleucine amino acid vị trí thứ tám leucine (bảng 3.3) Vasopressin loài ếch nhái có cấu trúc trung gian vasopresin oxytocin động vật có vú (amino acid thứ ba isoleucin amino acid thứ tám arginine có tên vasotocin) Vasopressin peptide có cấu trúc gồm amino acid

Bảng 3.3 So sánh cấu trúc hoá học oxytocin vasopressin số loài động vật

1 Lysine

Va- Lợn, Cys-Tyr-Phe-Glu-Asn-Cys-Pro-Lys-Gly-NH

Vaso- Hà mã pressin

Phần lớn động vật có

vú So-

1 Arginine

vasopressinCys-Tyr-Phe-Glu-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly-NH2

Động vật có xương sống, khơng có vú

Vasotocin

Cys-Tyr-Ile-Glu-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly-NH sin

Động vật có xương sống có vú, chim Oxytocin

Cys-Tyr-Ile-Glu-Asn-Cys-Pro-Leu-Gly-NH

Phần lớn động vật có vú amino acid thứ vasopressin arginine (arg-vasopressin), trừ lợn hà mã, amino acid thứ lysine (lys-vasopressin) Oxytocin có tác dụng trơn tử cung tuyến vú, gây co tử cung sinh kích thích tiết sữa cho bú

Vasopressin có tác dụng chống lợi niệu, tăng cường tái hấp thu nước thận, đồng thời làm co mạch, có tác dụng tăng huyết áp

3.3 Protein

3.3.1 Cấu trúc phân tử bậc 1, 2, 3,

Bậc I Bậc II Bậc III Bậc IV

Hình 3.17 Sơ đồ bậc cấu trúc protein

3.3.1.1 Cấu trúc bậc I

Cấu trúc bậc I biểu thị trình tự gốc amino acid chuỗi polypeptide, cấu trúc giữ vững liên kết peptide (liên kết cộng hóa trị) Cấu trúc bậc I phiên mã di truyền, việc xác định cấu trúc bậc I sở để tổng hợp nhân tạo protein phương pháp hố học kỹ thuật cơng nghệ sinh học

Hình 3.18 Cấu trúc bậc ribonuclesae bò

3.3.1.2 Cấu trúc bậc II

Biểu thị xoắn chuỗi polypeptide, tương tác không gian gốc amino acid gần mạch polypeptide

Xoắn α

Liên kết hydrogen

Xoắn β

Hình 3.19 Các kiểu xuắn cấu trúc bậc II protein

hydrogen tạo thành liên kết peptide kề gần nhau, cách khoảng xác định Theo Pauling Cori (1951) cấu trúc bậc II protein bao gồm kiểu xoắn α phiến gấp β

Ở tóc người ta tìm thấy keratin loại protein có hai dạng cấu trúc: dạng α bình thường dạng β duỗi thẳng.; cấu trúc phiến gấp β tìm thấy fibroin tơ Cấu trúc xuắn α tìm thấy nhiều loại protein khác Mặt khác tỷ lệ % xoắn α protein khác thay đổi nhiều Ví dụ hemoglobin mioglobin 75%; lysosyme 35%; ribonuclease 17%

Bảng 3.4 Số lượng xoắn α phiến gấp β chuỗi đơn số protein

Số gốc (%)

Protein (số gốc) Xoắn α Phiến gấp β

45 14

Chymotrypsin (247)

35 26

Ribonuclease (124)

17 38

Carboxypeptidase (397)

0 39

Cytochrom C (104)

12 40

Lysosyme (129)

0 78

Myoglobin (153)

Ngồi cịn có kiểu xoắn collagen tìm thấy phân tử collagen (hình 3.20)

Đơn vị cấu trúc tropocollagen bao gồm mạch polypeptide bện vào thành dây cáp siêu xoắn (vì mạch đơn có cấu trúc xoắn, chiều cao gốc xoắn trục siêu xoắn 2,9 anstron, vòng xoắn 3,3 gốc amino acid Ba chuỗi polypeptide “dây cáp” nối với liên kết hydrogen

3.3.1.3 Cấu trúc bậc III

Biểu thị xoắn cuộn khúc chuỗi polypeptide thành khối, đặc trưng cho potein cầu, tương tác không gian gốc amino acid xa chuỗi polypeptide Trong nhiều protein hình cầu có chứa gốc Cys tạo nên liên kết disulfua gốc Cys xa chuỗi polypeptide làm cho chuỗi bị cuộn lại (xem myoglobin hình 3.21) Ngồi cấu trúc bậc III cịn giữ vững loại liên kết khác Van der Waals, liên kết hydrogen, liên kết tĩnh điện gốc amino acid v.v

3.3.1.4 Cấu trúc bậc IV

Biểu thị kết hợp chuỗi có cấu trúc bậc III phân tử protein Hay nói cách khác, phân tử protein có cấu trúc từ hay nhiều chuỗi protein hình cầu, tương tác với không gian tạo nên cấu trúc bậc IV Mỗi chuỗi polypeptide gọi tiểu đơn vị (subunit), chúng gắn với nhờ liên kết hydrogen, tương tác Van der Waals nhóm phân bố bề mặt tiểu đợn vị để làm bền cấu trúc bậc IV

Myoglobin Hemoglobin

Hình 3.21 Cấu trúc bậc III myoglobin bậc IV hemoglobin

3.3.2 Một vài tính chất protein

3.3.2.1 Tính chất lý-hố protein - Tính tan protein

Các loại protein khác có khả hồ tan dễ dàng số loại dung môi định, chẳng hạn albumin dễ tan nước; globulin dễ tan muối loãng; prolamin tan ethanol, glutelin tan dung dịch kiềm acid loãng v.v

- Tính ngậm nước protein

Trong mơi trường nước, protein kết hợp với nước trương lên trở thành dạng keo, hay nói cách khác protein trạng thái hydrate hố, phân tử nước bám vào nhóm ưa nước phân tử protein -NH2, -COOH , lớp áo nước bao quanh phân tử protein yếu tố làm bền vững cấu trúc, ngăn cách phân tử protein khơng cho chúng dính vào để thành tủa

- Độ nhớt dung dịch protein

Khi protein hoà tan dung dịch, loại dung dịch protein khác có độ nhớt khác (bảng 3.5) Người ta lợi dụng tính chất để xác định khối lượng phân tử protein (độ nhớt cao khối lượng phân tử cao)

Bảng 3.5 Độ nhớt số protein

Nồng độ % Độ nhớt tương đối

Protein

(trong nước) (của nước =1)

4,54 3,0 Gelatin 1,20 3,0 Albumin trứng 14,2 8,0 Gelatin 1,57 8,0 Albumin trứng

- Hằng số điện môi dung dịch protein

L1 - l2 F =

2 Dr

Trong đó: D - số điện môi dung dịch F- lực tĩnh điện ion tích điện

L1 , l - điện tích ion, r - khoảng cách ion - Tính chất điện li protein

Cũng amino acid, protein chất điện li lưỡng tính phân tử protein có nhiều nhóm phân cực mạnh (bên gốc R) amino acid ví dụ: nhóm COOH thứ hai Asp, Glu; nhóm NH2 Lys; nhóm OH Ser, Thr, Tyr v.v Trạng thái tích điện nhóm phụ thuộc vào pH môi trường Ở pH mà tổng điện tích (+) điện tích (-) phân tử protein không, phân tử protein không di chuyển điện trường gọi pHi (isoelectric - điểm đẳng điện) protein Như protein chứa nhiều Asp, Glu (amino acid có tính acid mạnh) pHi vùng acid, ngược lại nhiều amino acid kiềm Lys, Arg, His pH vùng kiềm i

Ở mơi trường có pH < pHi , protein đa số cation, số điện tích dương lớn số điện tích âm Ở pH > pHi phân tử protein thể tính acid, cho ion H+, số điện tích âm lớn số điện tích dương, protein đa anion, tích điện âm

Bảng 3.5 Giá trị pHi số protein

Protein pHi Protein pHi

5,2 Globulin sữa 1,0 Pepsin 6,8 Hemoglobin 4,6 Albumin trứng 7,8 Ribonuclease 4,7 Casein 10,5 Trypsin 4,9 Albumin huyết

10,6 Cytochrom C 4,9 Gelatin 12,0 Prolamin

- Sự kết tủa muối dung dịch protein

Muối trung tính có ảnh hưởng rõ tới độ hồ tan protein hình cầu: với nồng độ thấp chúng làm hoà tan nhiều protein Tác dụng khơng phụ thuộc vào chất muối trung tính, mà phụ thuộc vào nồng độ muối số điện tích ion dung dịch, tức phụ thuộc vào lực ion μ dung dịch (μ = 1/2 ∑ C1 Z1,2 ∑ ký hiệu tổng, C1 nồng độ ion, Z1 điện tích ion) Các muối có ion hoá trị (MgCl2, MgSO4 ) làm tăng đáng kể độ tan protein muối có ion hoá trị (NaCl, NH4Cl, KCl ) Khi tăng đáng kể nồng độ muối trung tính độ tan protein bắt đầu giảm nồng độ muối cao, protein bị kết tủa hồn tồn

Các protein khác bị kết tủa nồng độ muối trung tính khác Người ta sử dụng tính chất để chiết xuất tách riêng protein khỏi hỗn hợp Đó phương pháp diêm tích (kết tủa protein muối) Thí dụ dùng muối amonium sulfate 50% bảo hoà kết tủa globulin dung dịch amonium sulfate bảo hoà để kết tủa albumin từ huyết

- Biểu quang học protein

Cũng nhiều chất hoá học khác, protein có khả hấp thụ xạ ánh sáng dạng lượng tử hγ Vì đo cường độ hấp thụ protein dung dịch hay gọi mật độ quang thường ký hiệu chữ OD (Optical Density) Dựa tính chất người ta sản xuất loại máy quang phổ hấp thụ để phân tích protein Nhìn chung protein có khả hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến (từ 350nm- 800nm) vùng tử ngoại (từ 320nm xuống tới 180nm)

Trong vùng ánh sáng khả kiến protein kết hợp với thuốc thử hấp thụ mạnh vùng ánh sáng đỏ 750nm (định lượng protein theo Lowry)

Đối với vùng tử ngoại dung dịch protein có khả hấp thụ ánh sáng tử ngoại hai vùng bước sóng khác nhau: 180nm-220nm 250nm - 300nm

Ở bước sóng từ 180nm-220nm vùng hấp thụ liên kết peptide protein, cực đại hấp thụ 190nm Do liên kết peptide có nhiều phân tử protein nên độ hấp thụ cao, cho phép định lượng tất loại protein với nồng độ thấp Tuy nhiên vùng hấp thụ liên kết peptide protein bị dịch phía có bước sóng dài có số tạp chất lẫn dung dịch protein Mặt khác tạp chất hấp thụ ánh sáng tử ngoại vùng bước sóng 180nm-220nm Vì thực tế thường đo độ hấp thụ dung dịch protein bước sóng 220nm-240nm

để định tính định lượng protein có chứa amino acid thơm Hàm lượng amino acid thơm protein khác thay đổi nhiều, dung dịch protein khác có nồng độ giống khác độ hấp thụ bước sóng 280nm Ngồi có nhiều chất khác dung dịch có ảnh hưởng đến độ hấp thụ protein Vì vậy, phương pháp đo độ hấp thụ vùng ánh sáng tử ngoại thường dung để định lượng protein tinh để xác định protein phân đoạn nhận sắc ký tách protein qua cột

- Kết tủa thuận nghịch không thuận nghịch protein

Khi protein bị kết tủa đơn dung dịch muối trung tính có nồng độ khác alcohol, acetone nhiệt độ thấp protein giữ ngun tính chất kể tính chất sinh học hồ tan trở lại gọi kết tủa thuận nghịch Các yếu tố kết tủa thuận nghịch dùng để thu nhận chế phẩm protein Trong trình kết tủa thuận nghịch muối trung tính vừa làm trung hồ điện vừa loại bỏ lớp vỏ hydrate hố protein, cịn dung môi hữu vốn háo nước phá hủy lớp vỏ hydrate nhanh chóng Trong chế phẩm protein nhận lẫn chất dùng để kết tủa, cần sử dụng phương pháp thích hợp để loại bỏ chất Ví dụ dùng phương pháp thẩm tích để loại bỏ muối

Ngược lại kết tủa không thuận nghịch protein sau bị kết tủa phục hồi lại trạng thái ban đầu Sự kết tủa thường sử dụng để loại bỏ protein khỏi dung dịch, làm ngưng phản ứng enzyme Một yếu tố gây kết tủa không thuận nghịch đơn giản đun sôi dung dịch protein (sẽ nói kỹ phần biến tính protein sau)

- Các phản ứng hoá học protein

Cũng amino acid peptide, protein có phản ứng hố học tương tự, là: phản ứng nhóm -COOH, -NH2, gốc R phản ứng tạo màu đặc trưng liên kết peptide phản ứng biure (xem chương Ở xin giới thiệu thêm số phản ứng màu đặc trưng khác, có ý nghĩa quan trọng phát protein gốc amio acid chuỗi polypeptide

+ Phản ứng với thuốc thử Folin-Ciocateau

Thuốc thử Folin-Ciocateau có chứa phosphomolipdic acid phosphovolframic acid chất làm tăng độ nhạy phản ứng biure, mặt khác phản ứng với gốc Tyr Trp phân tử protein Các gốc amino acid tham gia trình tạo phức chất màu xanh da trời

Những phản ứng có có mặt nhóm định chức hóa học xác định phân tử protein Có thể sử dụng chúng để phát amino acid, protein dung dịch

• Phản ứng xanthproteic: gốc amino acid Tyr, Trp, Phe protein tác dụng với HNO3 đặc tạo thành màu vàng sau thêm kiềm chuyển thành da cam

• Phản ứng Pauli: gốc Tyr, His protein tác dụng với diazobenzosulfonic acid tạo thành màu đỏ anh đào

• Phản ứng Millon: gốc Tyr tác dụng với thuỷ ngân nitrate HNO đặc tạo thành kết tủa màu nâu đất

• Phản ứng Saccaguichi: gốc Arg tác dụng với dung dịch kiềm α-naphtolvà hypobromitecho màu đỏ anh đào

• Phản ứng Adamkievich: gốc Trp tác dụng với glyoxylic acid H SO đặc tạo thành vịng tím đỏ mặt phân cách

3.3.2.2 Tính chất chức sinh học protein

Protein hợp chất hữu có ý nghĩa quan trọng bậc thể sống, mặt số lượng, chiếm khơng 50% trọng lượng khô tế bào Từ lâu, 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 enzyme, kháng thể chống lại bệnh tật, hormon dẫn truyền tín hiệu tế bào v.v có chất protein Trong thể protein có số vai trị sau đây:

- Chức tạo hình

Ngồi protein làm nhiệm vụ cấu trúc vỏ virus, màng tế bào, cịn gặp protein thường có dạng sợi như: sclerotin có lớp vỏ ngồi sâu bọ; fibroin tơ tằm, nhện; collagen, elastin mô liên kết, mơ xương Collagen đảm bảo cho độ bền tính mềm dẻo mô liên kết

- Chức xúc tác

đặc hiệu cho phản ứng hoá học, chất xúc tác sinh học có ý nghĩa đặc biệt quan trọng Hiện người ta biết khoảng 3.500 enzyme khác nhau, nhiều enzyme tinh sạch, kết tinh nghiên cứu cấu trúc

- Chức bảo vệ

Ngồi vai trị thành phần xúc tác, cấu trúc tế bào mơ, protein cịn có chức chống lại bệnh tật để bảo vệ thể Đó protein tham gia vào hệ thống miễn dịch, đặc biệt nhiều loại protein thực chức riêng biệt tạo nên hiệu miễn dịch đặc hiệu không đặc hiệu Các protein miễn dịch nhắc đến nhiều kháng thể, bổ thể cytokine

Ngoài protein cịn tham gia vào q trình đơng máu để chống máu cho thể số lồi sản xuất độc tố có chất protein enzyme nọc rắn, lectin v.v ,có khả tiêu diệt kẻ thù để bảo vệ thể

- Chức vận chuyển

Trong thể có protein làm nhiệm vụ vận chuyển hemoglobin, mioglobin, hemocyanin vận chuyển O2, CO H2 + khắp mơ, quan thể Ngồi cịn có nhiều protein khác lipoprotein vận chuyển lipid, ceruloplasmin vận chuyển đồng (Cu) máu v.v Một protein làm nhiệm vụ vận chuyển nhắc đến nhiều hemoglobin

- Chức vận động

Nhiều protein làm nhiệm vụ vận động co rút myosin, actin sợi cơ, chuyển vị trí nhiễm sắc thể q trình phân bào v.v

-Chức dự trữ dinh dưỡng

Các protein làm nhiệm vụ dự trử casein sữa, ovalbumin trứng, feritin lách (dữ trữ sắt) v.v Protein trữ nguồn cung cấp dinh dưỡng quan trọng cho tổ chức mô, phôi phát triển

- Chức dẫn truyền tín hiệu thần kinh

Nhiều loại protein tham gia vào việc dẫn truyền tín hiệu thần kinh kích thích đặc hiệu như: sắc tố thị giác rodopsin màng lưới mắt

- Chức điều hoà

- Chức cung cấp lượng

Protein nguồn cung cấp lượng quan trọng cho hoạt động sống thể Trong thể protein bị phân giải thành amino acid, từ tiếp tục tạo thành hàng loạt sản phẩm, có ceto acid, aldehyde carboxylic acid Các chất bị oxy hoá tạo thành CO H O đồng thời giải phóng lượng 2

3.3.3 Phân loại protein

Protein hợp chất đa dạng thành phần cấu trúc, chức năng; khối lượng phân tử chúng khác (bảng 3.6) Do phân loại protein dựa vào mục đích khác Có hai cách phân loại thơng thường nhất:

3.3.3.1 Phân loại theo hình dạng - Protein dạng sợi

Có hình dạng dài, thường hình sợi, chiều dài phân tử protein sợi lớn đường kính hàng trăm lần Protein sợi tương đối bền vững, không tan nước dung dịch muối loãng, chuỗi polypeptide protein sợi nằm dọc theo trục thành sợi dài Protein sợi yếu tố cấu trúc mô liên kết động vật cao cấp, thí dụ collagen gân mô xương,elastin mô liên kết đàn hồi, α-keratin tóc da v.v

- Protein dạng cầu

Có dạng gần hình cầu hinh bầu dục, chiều dài phân tử protein cầu lớn đuờng kính từ đến 10 lần Protein cầu không bền vững băng protein sợi, đa số tan dung dịch nước dễ khuyếch tán, thường có chức hoạt động sống tế bào enzyme, hormon, protein vận chuyển albumin huyết thanh, hemoglobin v.v

- Protein dạng trung gian

Một số protein dạng trung gian, vừa có đặc điểm protein sợi, vừa có đặc điểm protein cầu Thí dụ myosin (yếu tố cấu trúc chức quan cơ) có cấu trúc hình que dài đặc điểm protein sợi, lại tan dung dịch muối đặc điểm protein cầu Ngồi ra, nhóm trung gian cịn có chất tiền thân fibrin fibrinogen

3.3.3.2 Phân loại theo thành phần hoá học

Căn có hay vắng mặt số thành phần có chất khơng phải protein mà người ta chia protein thành hai nhóm:

Bảng: 3.6 Khối lượng (MW) cấu trúc phân tử số protein Protein Khối lượng

(Dalton) Số gốc amino acid Số chuỗi polypeptide 29 3482 Glucagon 51 5733 Insulin 124 12.640 Ribonuclease (tụy bò)

1 129

13.930 Lysozyme (lòng trắng trứng)

1 153

16.890 Myoglobin (tim ngựa)

3 241

22.600 Chymotripsin (tụy bò)

4 574 64.500 Hemoglobin (người) 550 68.500 Albumin (huyết người)

4 800

96.000 Hexokinase (men bia)

4 975 117.000 Tryptophan-synthetase (E.coli) 1.250 149.000 γ-globulin (ngựa) 4.100 495.000 Glycogen-phosphorylase (cơ thỏ)

40 8.300

1.000.000 Glutamate-dehydrogenase (gan bò)

21 20.000

2.300.000 Synthetase acid béo (men bia)

2.130 336.500

40.000.000 Virus khảm thuốc

- Protein đơn giản

Protein đơn giản protein mà phân tử chúng gồm toàn amino acid Thí dụ số enzyme tuỵ bị ribonuclease gồm

toàn amino acid nối với thành chuỗi polypeptide (có 124 gốc amino acid, khối lượng phân tử 12.640), chymotrypsin gồm toàn amino acid nối với thành ba chuỗi polypeptide (có 241 gốc amino acid, khối lượng phân tử 22.600) v.v Dựa theo khả hoà tan nước dung dịch người ta chia protein đơn giản số nhóm nhỏ như:

- Albumin: tan nước, bị kết tủa nồng độ muối (NH4)2SO4 cao (70-100%)

- Globulin: khơng tan tan nước, tan dung dịch loãng số muối trung tính NaCl, KCl, Na2SO4 , bị kết tủa nồng độ muối (NH4)2SO4 bán bão hoà

- Glutein: tan dung dịch kiềm acid lỗng

- Histon: protein có tính kiềm dễ tan nước, khơng tan dung dịch amoniac loãng

- Protein phức tạp

Protein phức tạp protein mà phân tử chúng ngồi amino acid protein đơn giản cịn có thêm thành phần khác có chất khơng phải protein cịn gọi nhóm thêm (nhóm ngoại) Tuỳ thuộc vào chất nhóm ngoại mà người ta chia protein phức tạp nhóm nhỏ thường gọi tên protein bắt đầu tiếp đầu ngữ chất nhóm ngoại:

- Lipoprotein: nhóm ngoại lipid

- Nucleoprotein: nhóm ngoại nucleic acid

- Glucoprotein: nhóm ngoại carbohydrate dẫn xuất - Phosphoprotein: nhóm ngoại phosphoric acid

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tài liệu tiếng Việt

1 Trần Thị Ân, Đái Duy Ban, Nguyễn Hữu Chấn, Đỗ Đình Hồ, Lê Đức Trình 1980 Hố sinh học NXB Y học, Hà Nội

2.Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng 1999 Hoá sinh học NXB Giáo dục, Hà Nội

3 Nguyễn Lân Dũng, Phạm Văn Ty, Nguyễn Đình Quyến 1999 Vi sinh vật học NXB Giáo dục,Hà Nội

4 Lê Đức Trình 1998 Hormon NXB Y học Hà nội

Tài liệu tiếng Anh

1 Dennison C 2002 A Guide To Protein Isolation Kluwer Academic Publishers New York, Boston, Dordrecht, Lodon, Moscow

2 Fersht A., 1998, Structure and Mechanism in Protein Science, W H Freeman, 3rd Rev Edit

th

3 Lehninger A L 2004 Principle of Biochemistry, Edition W.H Freeman, 2004

4 Liebler D C 2002 Introduction to proteomics Humana Press Inc Totuwa, New Jersey

Chương

Nucleic acid

4.1 Thành phần hoá học nucleic acid

Nucleic acid, vật chất mang thông tin di truyền hệ thống sống, polymer hình thành từ monomer nucleotide Trong nucleic acid có chứa nguyên tố C, H, O, N P Hàm lượng P từ 8- 10% Mỗi nucleotide gồm thành phần kết hợp với theo tỷ lệ 1:1:1, bao gồm: nhóm phosphate, đường pentose (là đường carbon) base nitơ (nitrogen)

4.1.1 Base nitơ (Nitrogen)

Các base nitơ (nitrogen) thuộc phân tử nucleic acid dẫn xuất base purine pyrimidine Các base purine gồm adenine (6-amino purine) guanine (2-amino, 6-aminopurine), base nitơ pyrimidine gồm thymine (2,6-dioxy, 5-methylpyrimidine), cytosine(2-oxy,6-aminopyrimidine) uracil (2,6 dioxypyrimidine).( Hình 4.1.)

Hình 4.1 Cơng thức cấu tạo base nitơ (nitrogen) nucleic acid 4.1.2 Đường pentose

Đường pentose nucleic acid gồm có hai loại đường deoxyribose ribose Sự có mặt loại đường đặc điểm để phân biệt DNA RNA

4.1.3 Phosphoric acid

Hình Cơng thức cấu tạo hai loại đường pentose nucleic acid 4.1.4 Sự tạo thành nucleoside

Hình Cấu tạo hoá học nucleoside nucleotide 4.1.5 Sự tạo thành nucleotide

Nucleotide sản phẩm thuỷ phân khơng hồn tồn nucleic acid Nucleotide gồm có ba thành phần: đường pentose, base nitơ (nitrogen) phosphoric acid (Hình 4.3)

4.1.6 Sự tạo thành nucleic acid

Các nucleotide nối với liên kết phosphodiester Acide thơng qua nhóm OH vị trí C3’ C5’ đường pentose để tạo thành chuỗi dài gọi polynucleotide Do liên kết phosphodiester tao thành vị trí C3’ C5’ nên chuỗi polypeptide có tính phân cực: đầu 5’ thường có gốc phosphate đầu 3’ thường có OH tự Nucleic acid gồm hai loại phân tử có cấu tạo giống DNA (desoxyribonucleic acid) RNA (ribonucleic acid)

ADP (adenosindiphosphate) ATP (adenosintriphosphate) dẫn xuất adenine, chúng tham gia q trình phosphoryl hố-oxy

ate cao tế bào (Hình 4.4) hố ATP coi nguồn phosph

Hình 4.4 Cấu tạo ho học ADP ATP - cAMP(AMP vịng)

hate vịng hình thành từ ATP, cAMP tìm th

phosphate) UTP (uridinetriphosphate)

á

Adenosinemonophosp

ấy tế bào động vật vi khuẩn, thường liên kết với màng bào tương tế bào tham gia nhiều q trình chuyển hố cAMP sinh nhờ số hormone hoạt hố adenylcyclase (Hình 4.5.)

- UDP UTP

UDP (uridinedi

dẫn xuất uracil coenzyme quan trọng phản ứng trung gian chuyển hoá glucose galactose Ngồi ra, chúng cịn tham gia việc hình thành hợp chất phosphate giàu lượng

Hình 4.5 Cấu tạo hố học AMP vịng (cAMP) - CDP và

phosphate) CTP (cytidinetriphosphate) dẫn x

CTP

CDP (cytidindi

dẫn đến sinh tổng hợp cephaline phản ứng với phosphate choline để hình thành cytidinediphosphate-choline (CDP-Choline, hình 4.6)

Hình 4.6 Cấu tạo hố học CDP- cholin 4.1.8 Các coenzyme nucleotide

c số nucleotide tham gia cấu tạo nên c

Hiện người ta biết đượ

FAD

Hình 4.7 Cấu tạo hoá học số coenzyme

4.2 Cấu trúc nucleic acid

4.2.1 DNA (Desoxyribonucleic acid)

cấu trúc DNA luôn tương ứng với dạng gọi B mà Watson Crick đưa Do tác động hợp chất có trọng lượng nhỏ protein dạng B chuyển sang dạng A (nén nhiều hơn) dạng Z (xoắn trái) Chúng tự gấp lại (DNA) xoắn mạnh, ví dụ chuỗi kép DNA có độ dài 20 cm nén chromosome có kích thước μm

Liên kết hydrogen

1 nm

3,4 nm

0,34 nm

(b) Cấu trúc hóa học phần DNA (a) Cấu trúc DNA

Hình 4.8 Chuỗi xoắn kép DNA

Thymine (T)

Adenine (A)

Cytosine (C)

DNA nucleotide Phosphate

Đường (deoxyribose)

Guanine (G)

Hình 4.9 Cấu trúc nucleotide điển hình

DNA eukaryote có kích thước lớn (ví dụ DNA người dài đến m) nên câu hỏi đặt phân tử phải nén vào thể tích hạn chế nhân Việc nén thực nhiều mức độ, mức độ thấp nucleosome mức độ cao cấu trúc nhiễm sắc chất Thật vậy, đường kính chuỗi xoắn DNA 20 o , sợi nhiễm sắc chất quan sát kính hiển vi điện tử có đường kính 100A , đơi đạt 300o o Điều chứng tỏ phân tử DNA tham gia hình thành cấu trúc phức tạp (Hình 4.10) Sợi có đường kính 100 o chuỗi nhiều nucleosome Đó cấu trúc hình thành từ

A A

chuỗi DNA quấn quanh lõi gồm phân tử histon Sợi 100 tổ chức thành cấu trúc phức tạp sợi có đường kính 300 o Trong nhân tế bào, sợi vừa kể kết hợp chặt chẽ với nhiều protein khác với RNA tạo hành nhiễm sắc chất, mức độ tổ chức cao DNA

o

A A

Chuỗi xoắn kép DNA

Dạng xâu chuỗi nhiễm sắc thể

Sợi nhiễm sắc chất đường kính 30 nm gồm nucleosome đóng gói

Vùng nhiễm sắc thể dạng lỏng lẽo

Vùng nén chặt nhiễm sắc thể trung kỳ

Nhiễm sắc thể trung kỳ

2 nm

11 nm

30 nm

300 nm

700 nm

1400 nm

Hình 4.10 Cấu trúc nucleosome nhiễm sắc thể

Phân tử DNA xếp nhiễm sắc thể làm cho chiều dài ngắn lại 50.000 lần

xen kẽ với trình tự khơng mã hố (intron) Các trình tự mã hố eukaryote chìm ngập khối lớn DNA mà chưa rõ tác dụng Tùy theo mức độ diện chúng nhân, trình tự DNA chia làm ba loại:

- Các trình tự lặp lại nhiều lần Ví dụ: động vật có vú trình tự chiếm 10-15% genome (hệ gen) Đó trình tự DNA ngắn (10-200 kb), khơng mã hoá, thường tập trung vùng chuyên biệt nhiễm sắc thể vùng tâm động (trình tự CEN) hay đầu nhiễm sắc thể (trình tự TEL) Chức trình tự chưa rõ, chúng tham gia vào q trình di chuyển DNA thoi vơ sắc (trình tự CEN) vào q trình chép tồn vẹn phần DNA nằm đầu mút nhiễm sắc thể (trình tự TEL)

- Các trình tự có số lần lặp lại trung bình Ví dụ: genome người trình tự chiếm 25-40 % Chúng đa dạng có kích thước lớn (100-1.000 kb) trình tự lặp lại nhiều lần Các trình tự phân bố tồn bộ gen Chúng trình tự khơng mã hóa mà trình tự mã hóa cho rRNA, tRNA RNA 5S

- Các trình tự nhất: gen mã hóa cho protein, có trình tự đặc trưng cho gen

Một đặc điểm phân tử DNA có ý nghĩa quan trọng sử dụng vào phương pháp lai phân tử Đó khả biến tính hồi tính Biến tính tượng hai sợi đơn phân tử DNA tách rời liên kết hydrogen base bổ sung nằm hai sợi bị đứt tác nhân hóa học (dung dịch kiềm, formamide, urea) hay tác nhân vật lý (nhiệt) Sau đó, điều chỉnh nhiệt độ nồng độ muối thích hợp, sợi đơn bắt cặp trở lại theo nguyên tắc bổ sung, để hình thành phân tử DNA ban đầu, hồi tính

4.2.2 RNA (Ribonucleic acid )

Phân tử RNA có cấu tạo tương tự DNA với ba điểm khác biệt sau: - Phân tử RNA chuỗi đơn

- Đường pentose phân tử DNA deoxyribose thay ribose - Thymine, bốn loại base hình thành nên phân tử DNA, thay uracil phân tử RNA

Theo lý thuyết tiến hóa mà đại diện Manfred Eigen, RNA chất mang thông tin di truyền, thành viên trung gian biểu gen, thành phần cấu tạo chất xúc tác Nhóm OH rượu vị trí thứ hai ribose cần thiết cho đa chức làm nhiễu loạn tạo thành chuỗi kép, qua làm tăng độ không bền vững liên kết photphodieste

Trong tế bào có ba loại RNA chính, có chức khác nhau: - Các RNA thông tin (mRNA)

mRNA trình tự định phân tử DNA, có vai trị trung tâm chuyển thơng tin mã hóa phân tử DNA đến máy giải mã thành phân tử protein tương ứng Các RNA có cấu trúc đa dạng, kích thước nhỏ so với DNA chứa thơng tin mã hóa cho vài protein chiếm khoảng 2-5% tổng số RNA tế bào

Quá trình chuyển thơng tin thể sau:

Phiên mã Dịch mã

DNA RNA Protein

Ở Escherichia coli, kích thước trung bình phân tử mRNA khoảng 1,2 kb

- RNA vận chuyển (tRNA)

tRNA làm nhiệm vụ vận chuyển amino acid hoạt hóa đến ribosome để tổng hợp protein từ mRNA tương ứng Có loại tRNA cho loại amino acid tRNA vận chuyển chứa khoảng 75 nucleotide (có trọng lượng khoảng 25 kDa), phân tử RNA nhỏ Các tRNA có cấu trúc dạng cỏ ba (Hình 7) Cấu trúc ổn định nhờ liên kết bổ sung diện nhiều vùng phân tử tRNA Hai vị trí khơng có liên kết bổ sung đóng vai trò đặc biệt quan trọng chức tRNA:

- Trình tự anticodon gồm ba nucleotide

- Trình tự CCA, có khả liên kết cộng hóa trị với amino acid đặc trưng

- RNA ribosome (rRNA)

rRNA thành phần ribosome, vừa đóng vai trị xúc tác cấu trúc tổng hợp protein

16S 5S rRNA chiếm nhiều ba loại RNA (80% tổng số RNA tế bào), tiếp đến tRNA mRNA chiếm 5%

Ribosome tế bào gồm tiểu đơn vị nhỏ tiểu đơn vị lớn Mỗi tiểu đơn vị có mang nhiều protein rRNA có kích thước khác

Amino acid

anticodon

Hình 4.11 Mơ hình cấu trúc tRNA

- Một số loại RNA khác

Tế bào sinh vật nhân chuẩn chứa số loại RNA khác, chúng có vai trị định máy tổng hợp protein như:

+ snRNA (small nuclear) phân tử RNA nhỏ tham gia vào việc ghép nối exon

+ hn RNA( heterogenous nuclear) RNA không đồng nhân tế bào

Bảng 4.1 Các phân tử RNA E coli Loại Tổng số tương

đối (%)

Hệ số lắng (S)

Khối lượng phân tử (kDa) Số lượng nucleotide rRNA tRNA mRNA 80 15 23 16

1,2 × 103

0,55 × 103

3,6 × 101

2,5 × 101

Khơng đồng

3700 1700 120

75

Nhìn chung tất RNA tế bào tổng hợp nhờ enzyme RNA polymerase Enzyme đòi hỏi thành phần sau đây:

a) Một khuôn mẫu, thường DNA chuỗi đôi

b) Tiền chất hoạt hóa: Bốn ribonucleoside triphosphate: ATP, GTP, UTP CTP

Sinh tổng hợp RNA giống DNA số điểm, thứ hướng tổng hợp 5’ → 3’, thứ hai chế kéo dài giống nhau: nhóm 3’-OH đầu cuối chuỗi tổng hợp vị trí gắn kết nucleoside triphosphate Thứ ba, tổng hợp xảy thủy phân pyrophosphate

Tuy nhiên, khác với DNA RNA khơng địi hỏi mồi (primer) Ngồi RNA polymerase khơng có hoạt tính nuclease để sửa chữa nucleotide bị gắn nhầm

Cả ba loại RNA tế bào tổng hợp E coli nhờ loại RNA polymerase Ở động vật có vú RNA khác tổng hợp loại RNA polymerase khác

4.3 Một số tính chất nucleic acid

Dung dịch nucleic acid có độ nhớt cao, có hoạt tính quang học (làm quay mặt phẳng ánh sang phân cực)

Nucleic acid hấp thụ mạnh vùng ánh sáng tử ngoại có bước sóng 250-280 nm, cực đại hấp thụ 260 nm Tính chất sử dụng để dịnh lượng nucleic acid xác định độ nucleic acid

nóng chảy (melting temperature) viết tắt Tm Các DNA giàu base G C có nhiệt độ nóng chảy cao

DNA phản ứng với thuốc thử fucsin tạo thành màu đỏ (phản ứng Feulgen), phản ứng thường sử dụng hoá tế bào

Để phân biệt DNA RNA người ta dùng phản ứng đặc trưng với thuốc thử orcine tạo thành màu xanh lục bền, desoxyribose DNA phản ứng với diphenylamine tạo thành màu xanh da trời bền

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tài liệu tiếng Việt

1 Trần Thị Ân, Đái Duy Ban, Nguyễn Hữu Chấn, Đỗ Đình Hồ, Lê Đức Trình 1980 Hố sinh học NXB Y học, Hà Nội

2 Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng 1999 Hoá sinh học NXB Giáo dục, Hà Nội

3 Hồ Huỳnh Thuỳ Dương 1998 Sinh học phân tử NXB Giáo dục, Hà Nội

4 Phạm Thành Hổ 2001 Di truyền học, (tái lần thứ 3) NXB Giáo dục, Hà Nội

Tài liệu tiếng Anh

Chương

Vitamin

Vitamin nhóm chất hữu có tính chất lý, hoá học khác Tác dụng chúng thể sinh vật khác cần thiết cho sống sinh vật, người động vật Khi thiếu loại vitamin dẫn đến rối loạn hoạt động sinh lý bình thường thể

Vitamin tổng hợp chủ yếu thực vật vi sinh vật Ở người động vật tổng hợp số Vitamin nên khơng thoả mãn nhu cầu thể mà phải tiếp nhận thêm vào đường thức ăn

Có nhiều loại Vitamin khác Tên Vitamin gọi theo nhiều cách gọi theo chữ cái, gọi theo danh pháp hoá học, gọi theo chức Ví dụ Vitamin B1 cịn có tên hóa học Thiamin, đồng thời theo chức cịn có tên antinevrit

Có nhiều kiểu phân loại Vitamin, kiểu phân loại sử dụng phổ biến dựa vào khả hồ tan Vitamin vào dung mơi Người ta chia Vitamin nhóm: Vitamin tan nước Vitamin tan mỡ

Vitamin tan nước chủ yếu tham gia vào trình liên quan tới giải phóng lượng q trình oxi hố khử, trình phân giải hợp chất hữu

Vitamin tan mỡ tham gia vào phản ứng tạo nên chất có chức cấu trúc mô, quan

5.1 Vitamin tan nước

5.1.1 Vitamin B1 (Thiamin)

NH2

CH2 CH3

H3C CH2 - CH2OH N

N N

S

Vitamin B1 bền mơi trường acid, cịn mơi trường kiềm dễ bị phân huỷ đun nóng Trong thể B1 tồn trạng thái tự hay dạng Thiamin pyrophosphate Thiamin pyrophosphate dạng B1 liên kết với H3PO4 có vai trị quan trọng trình trao đổi chất thể Thiamin pyrophosphate coenzyme xúc tác cho trình phân giải ceto acid pyruvic acid, oxaloacetic acid Vì thiếu Vitamin B1 chuyển hoá ceto acid bị ngừng trệ làm cho thể tích luỹ lượng lớn ceto acid làm rối loạn trao đổi chất gây nên trạng thái bệnh lý nguy hiểm

Vitamin B1 hồ tan tốt mơi trường nước chịu nhiệt nên không bị phân huỷ nấu nướng B1 tổng hợp chủ yếu thực vật số vi sinh vật Người động vật không tổng hợp B1 mà phải nhận từ nguồn thức ăn Nguồn chứa nhiều Vitamin B1 cám gạo, ngơ, lúa mì, gan, thận, tim, não, nấm men

Khi thiếu B1 phát sinh bệnh beri-beri, gọi bệnh tê phù, trình trao đổi chất bị rối loạn Nhu cầu Vitamin B1 phụ thuộc vào điều kiện nghề nghiệp, vào trạng thái sinh lý thể, vào lứa tuối Nhu cầu hàng ngày người lớn 1-3mg, trẻ em 0,5-2mg

5.1.2 Vitamin B2 (Riboflavin)

Vitamin B2 dẫn xuất vòng Isoalloxazin, thuộc nhóm flavin Trong thể B2 liên kết với H3PO4 tạo nên coenzyme FMN FAD coenzyme hệ enzyme dehydrogenase hiếu khí

Ở trạng thái khô Vitamin B2 bền với nhiệt acid

bị ảnh hưởng gây nên chảy máu ruột hay rối loạn hoạt động dày, ruột Vitamin B2 giúp thể kháng khuẩn tốt

Nhu cầu Vitamin B2 hàng ngày người khoảng 2-3mg

O

N

CH2 - (CHOH)3-CH2OH

H3C

N N

H3C

NH O

Riboflavin (Vitamin B2)

5.1.3 Vitamin PP (Nicotinic acid, nicotinamid)

Vitamin PP nicotinic acid amid nicotinamid

Nicotinic acid Nicotinamid O C NH2 N

COOH

N

Vitamin PP thành phần coenzyme NAD, NADP có enzyme thuộc nhóm dehydrogenase kỵ khí

Vitamin PP giúp thể chống lại bệnh pellagra (bệnh da sần sùi) Khi mắc bệnh pellagra dẫn đến sưng màng nhầy dầy, ruột, sau sưng ngồi da

Vitamin PP không bị biến đổi nấu nướng nên thức ăn giữ hàm lượng PP qua xử lý

Vitamin PP có nhiều gan, thịt nạc, tim, đặc biệt nấm men Nếu thể thiếu Vitamin PP ảnh hưởng đến trình oxi hố khử Vitamin PP có tác dụng ngăn ngừa bệnh da, sưng màng nhầy ruột, dày

Hàng ngày nhu cầu người khoảng 15-25mg Vitamin PP

5.1.4 Vitamin B6 (Pyridoxin)

Vitamin BB6 tồn thể dạng khác nhau: Piridoxol,

Pyridoxal, Pyridoxamine Ba dạng chuyển hoá lẫn

HO CH2OH CH2OH

H3C

N

Pyridoxol

Vitamin B6 thành phần coenzyme nhiều enzyme xúc tác cho q trình chuyển hố amino acid, thành phần cấu tạo phosphorylase

Vitamin B6 có nhiều nấm men, trứng, gan, hạt ngũ cốc, rau

Nếu thiếu Vitamin B6 dẫn đến bệnh da, bệnh thần kinh đau đầu, bệnh rụng tóc, rụng lơng

Hàng ngày người lớn cần 1,5-2,8 mg, với trẻ em cần 0,5-2mg Vitamin B6

5.1.5 Vitamin C (Ascorbic acid)

Dehydro ascorbic acid O O

O O CH2OH CHOH

O O

CH2OH CHOH

OH OH

Ascorbic acid

Vitamin C tham gia nhiều trình sinh lý quan trọng thể: - Quá trình hydroxyl hố hydroxylase xúc tác

- Duy trì cân dạng ion Fe+2/Fe+3, Cu+1/Cu+2 - Vận chuyển H2 chuỗi hô hấp phụ

- Làm tăng tính đề kháng thể điều kiện không thuận lợi môi trường, độc tố bệnh nhiễm trùng, làm giảm triệu chứng bệnh lý tác dụng phóng xạ

Ngồi Vitamin C cịn tham gia vào nhiều q trình khác có vai trị quan trọng thể

Vitamin C có nhiều loại rau tươi, loại có múi cam, chanh, bưởi Nhu cầu hàng ngày cần 70-80mg/người Nếu thiếu Vitamin C dẫn đến bệnh hoại huyết, giảm sức đề kháng thể, bị bệnh chảy máu răng, lợi hay nội quan (bệnh scorbutus)

5.1.6 Vitamin B12 (Cyanocobalamin)

Vitamin BB12 có cấu tạo phức tạp, thành phần có chứa nhóm

CN, CO, amin Thành phần Vitamin B12 nhóm porphyrin Vitamin BB12 giúp cho việc tạo huyết cầu tố hồng cầu B12 tham

gia trình tổng hợp nucleotide nhờ xúc tác phản ứng metyl hoá base Nitơ Thiếu B12 gây bệnh thiếu máu ác tính

5.2 Vitamin tan chất béo

5.2.1 Vitamin A (retinol)

Vitamin A có dạng quan trọng A1 A2 Vitamin A hình thành từ β.caroten tiền Vitamin A Từ β.caroten tạo thành phân

tử Vitamin A

Vitamin ACH3

CH3 CH3 CH3

CH3

CH2OH

Vitamin A có nhiều dầu cá, lịng đỏ trứng Trong thực vật có nhiều tiền Vitamin A (β.caroten) củ cà rốt, cà chua, gấc, đu đủ

Vitamin A có vai trị quan trọng chế tiếp nhận ánh sáng mắt, tham gia vào trình trao đổi protein, lipid, saccharide Thiếu Vitamin A bị bệnh quáng gà, khô mắt, chậm lớn, sút cân, giảm khả đề kháng thể bệnh nhiễm trùng

Nhu cầu Vitamin A hàng ngày người lớn 1-2mg, trẻ em tuổi 0,5-1mg

5.2.2 Vitamin D

Trong thể tồn nhiều loại Vitamin D, quan trọng dạng D2 D3 Các Vitamin D dẫn xuất sterol Trong thể Vitamin D tạo từ tiền Vitamin D có sẵn da nhờ ánh sáng mặt trời có tia tử ngoại

Thiếu thừa Vitamin D ảnh hưởng đến nồng độ photpho canxi máu Thiếu Vitamin D trẻ em dễ bị bệnh cịi xương, người lớn bị bệnh lỗng xương

5.2.3 Vitamin E (Tocopherol)

Vitamin E có nhiều dạng khác Đó dạng α, β, γ, δ tocopherol Các dạng khác phân biệt số lượng vị trí nhóm metyl gắn vào vịng thơm phân tử Trong loại Vitamin E, dạng α -tocopherol có hoạt tính cao nhất:

α - Tocopherol

CH3

CH3

CH3 CH3

(CH2)3 - CH - (CH2)3 - CH - (CH2)3- CH - CH3

H3C

HO

CH3

CH3

O

Vitamin E có nhiều loại rau xanh, xà lách, hạt ngũ cốc, dầu thực vật, gan bị, lịng đỏ trứng, mầm hạt hồ thảo

Vitamin E có tác dụng chất chống oxi hố nên có tác dụng bảo vệ chất dễ bị oxi hố tế bào Vitamin E cịn có vai trị quan trọng sinh sản Nhu cầu Vitamin E hàng ngày khoảng 20mg cho người lớn

5.2.4 Vitamin K

Có nhiều loại Vitamin K, với công thức tổng quát

R O

CH3

O

Vitamin K có nhiều cỏ linh lăng, bắp cải, rau má, cà chua, đậu, ngũ cốc, lòng đỏ trứng, thịt bò

Thường người khoẻ mạnh, vi khuẩn đường ruột có khả cung cấp đủ Vitamin K cho nhu cầu thể, cần bổ sung thêm khoảng 0,2-0,3mg/ngày/người

5.2.5 Vitamin F

Vitamin F acid béo không no linoleic acid, linolenic acid, arachidonic acid

Vitamin F có tác dụng ni da, tiêu mỡ Thiếu Vitamin F động vật chậm lớn, viêm da, rụng lông, hoại tử

Vitamin F có nhiều loại dầu thực vật

5.2.6 Vitamin Q (Ubiquinon)

Vitamin Q lần tách từ mỡ động vật vào năm 1955 Cấu trúc chức Vitamin Q gần tương tự Vitamin K F

Vitamin Q tham gia vào trình oxi hoá-khử thể với chức thành viên chuỗi vận chuyển điện tử ty thể

Vitamin Q có nhiều đối tượng vi sinh vật, thực vật, động vật

5.2.7 Vitamin P (Rutin)

Vitamin P nhóm Vitamin có cấu trúc từ flavon Hiện người ta phát khoảng 150 loại chất flavonoid khác có tác dụng Vitamin P, có 10 chất nghiên cứu kỹ

Thiếu Vitamin P xảy tượng tăng tính thấm mao quản, chảy máu bất thường, mỏi mệt, suy nhược thể Vitamin P có tác dụng làm giảm tính thấm thành mao quản Vitamin P cịn tham gia vào q trình oxi hố khử thể chức Vitamin C

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tài liệu tiếng Việt

1 Trần Thị Ân (chủ biên) 1979 Hóa sinh đại cương (tập I, II) NxB KH&KT, Hà Nội

2 Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng 2000 Hóa sinh học Nxb Giáo dục, Hà Nội

3 Nguyễn Bá Lộc 1997 Hóa sinh Nxb Giáo dục, Hà Nội

Tài liệu dịch

1 Musil J.G., Kurz K., Novakava O 1982

Sinh hóa học đại theo sơ đồ Nxb Y học, Hà Nội

Tài liệu tiếng Anh

1 Farkas G 1984 Növényi anyagcsereélettan Akadémiai Kiadó Budapest

Chương 6

Enzyme

Enzyme protein có khả xúc tác đặc hiệu cho phản ứng hóa học Chúng thúc đẩy phản ứng xảy mà khơng có mặt sản phẩm cuối Enzyme có nhiều đối tượng sinh học thực vật, động vật môi trường nuôi cấy vi sinh vật.Hiện người ta thu nhiều loại chế phẩm enzyme khác sử dụng rộng rãi nhiều lãnh vực y học , nông nghiệp, công nghiệp…

6.1 Bản chất hóa học enzyme

Ngoại trừ nhóm nhỏ RNA có tính xúc tác, tất enzyme protein Tính chất xúc tác phụ thuộc vào cấu tạo protein Nếu enzyme bị biến tính hay phân tách thành tiểu đơn vị hoạt tính xúc tác thường bị đi, tương tự thân protein enzyme bị phân cắt thành amino acid Vì cấu trúc bậc 1, 2, 3, protein enzyme cần thiết cho hoạt tính xúc tác chúng

Enzyme, protein khác, có trọng lượng phân tử khoảng 12.000 đến 1000.000.Một số enzyme cấu tạo gồm toàn phân tử L amino acid liên kết với tạo thành, gọi enzyme thành phần Đa số enzyme protein phức tạp gọi enzyme hai thành phần Phần protein gọi nhóm ngoại hay coenzyme Một coenzyme kết hợp với apoenzyme khác (phần protein) xúc tác cho q trình chuyển hóa chất khác chúng giống kiểu phản ứng

Một số enzyme cần ion kim loại cho hoạt động như: Cu2+ Cytochrome oxidase

Fe2+ Fe3+ Cytochrome oxidase, catalase, peroxidase K+ Pyruvate kinase

Mg2+ Hexokinase, glucose 6-phosphatase, pyruvate kinase

Mn2+ Arginase, ribonucleotide reductase Mo Dinitrogenase

Ni2+ Urease

Se Glutathione peroxidase

Một số coenzyme chức vận chuyển nhóm tương ứng chúng sau:

Biocytin Coenzyme A

5’- Deoxyadenosylcobalamin (coenzyme B12)

Flavin adenine dinucleotide Lipoate

Nicotinamide adenine dinucleotide Pyridoxal phosphate

Tetrahydrofolate

Thiamine pyrophosphate

CO2

Nhóm Acyl

Nguyên tử H nhóm alkyl Điện tử

Điện tử nhóm acyl Ion Hydride (:H-) Nhóm Amino Nhóm Carbon Aldehyde

6.2 Cơ chế tác dụng

Những quan điểm nhằm giải thích chế tác dụng enzyme cho enzyme (E) tưong tác với chất (S) làm giảm lựợng hoạt hóa phản ứng hóa sinh Muốn làm giảm lượng hoạt hóa phản ứng enzyme cần trải qua nhiều giai đoạn trung gian tạo thành phức chất định E S

Khi kết hợp với phân tử enzyme, kết cực hóa, chuyển dịch electron biến dạng mối liên kết tham gia trực tiếp vào phản ứng làm thay đổi động nên phân tử chất trở nên hoạt động dễ dàng tham gia phản ứng

Việc tạo thành phức hợp E-S giai đoạn đầu xảy nhanh không bền Do sau thời gian dài chứng minh thực nghiệm Bằng chứng rõ ràng tồn phức hợp E-S thành công hai nhà hóa sinh Nhật Bản K Iaglu T Ozava tách phức E-S phản ứng khử amin cách oxy hóa (loại trừ nhóm amine) amino acid dãy D oxydase xúc tác

Nhìn chung ta hình dung chế tác dụng enzyme lên chất tạo sản phẩm phương trình tổng quát sau:

E + S ' E – S  P + E

diện, tương tác Van der Waals… Mỗi loại liên kết đòi hỏi điều kiện khác chịu ảnh hưởng khác có nước

Giai đoạn 2: Sau tạo phức, chất có biến đổi định mật độ điện tử, cấu hình làm chất trở nên hoạt động hơn, phản ứng dễ dàng để tạo thành sản phẩm P

Trong nhiều phản ứng enzyme xúc tác có hay nhiều lọai chất, ví dụ hexokinase xúc tác phản ứng:

ATP + glucose hexokinase ADP + glucose phosphate Cơ chế enzyme xúc tác cho phản ứng chất sau: a/ Cơ chế tạo phức thành phần

S2

b/ Cơ chế không tạo phức thành phần

Đây trường hợp chất thứ 2(S2) kết hợp vào enzyme ( trạng thái E’) sau P1 tạo thành

6.3 Trung tâm hoạt động (TTHĐ) enzyme

Từ kết nghiên cứu chất hoá học, cấu trúc trung tâm hoạt động , chế tác động, trung tâm hoạt động có số nhận xét chung trung tâm hoạt động sau:

- Là phận dùng để liên kết với chất

- Chỉ chiếm tỉ lệ bé so với thể tích tồn enzyme

Đối với E thành phần: TTHĐ gồm nhóm chức amino acid nhóm hydroxy serin, carboxy glutamic, vịng imidazol… Các nhóm chức amino acid xa chuỗi polypeptide nhờ cấu trúc khơng gian nên gần mặt không gian

Đối với E hai thành phần: TTHĐ trên, nhóm chức amino acid tham gia tạo thành TTHĐ liên kết với liên kết hydro Ngoài TTHĐ loại cịn có tham gia coenzyme ion kim loại

Theo Fisher TTHĐ có cấu trúc cố định, kết hợp với chất để tạo phức E-S ta hình dung giống chìa khóa ổ khóa Ngày người ta chứng minh rằng: TTHĐ enzyme có cấu tạo hồn chỉnh có tương tác với chất (thuyết tiếp xúc cảm ứng Koshland)

6.4 Tính đặc hiệu enzyme

Người ta chia tính đặc hiệu làm kiểu: + Đặc hiệu phản ứng

+ Đặc hiệu chất + Đặc hiệu không gian

a/ Đặc hiệu phản ứng: Đó biểu enzyme

b/ Đặc hiệu chất: Tuỳ mức độ người ta chia thành: đặc hiệu

tương đối đặc hiệu tuyệt đối

+ Đặc hiệu tuyệt đối: Enzyme tác dụng lên chất định, ví dụ có tính chất kinh điển chuyên hoá tuyệt đối urease, enzyme phân giải ure:

Hằng trăm thí nghiệm dẫn xuất ure cho thấy chúng không bị phân giải tác động urease Thực người ta phát khả phân giải chất hydroxyure với tốc độ bé khoảng 120 lần

+ Đặc hiệu nhóm tuyệt đối: Các enzyme tác dụng lên chất có kiểu cấu trúc phân tử, liên kết có yêu cầu xác định nhóm nguyên tử đối vơi nhóm nguyên tử gần liên kết chịu tác dụng ví dụ : maltase phân giải liên kết glucosidic tạo thành từ glucoside glucose với -OH monose khác

+ Đặc hiệu nhóm tương đối: Các enzyme khơng có u cầu đối vơi nhóm chức gần liên kết chịu tác dụng ví dụ lipase thuỷ phân lipid

c/ Đặc hiệu không gian: Các enzyme xúc tác cho dạng

đồng phân dạng L hay dạng D, dạng cis hay trans mà

6.5 Các yều tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng enzyme

6.5.1 Ảnh hưởng nồng độ enzyme

Trong điều kiện dư thừa chất, nghĩa [S] >>>[E] tốc độ phản ứng phụ thuộc vào [S], v= K[E] có dạng y = ax Nhờ người ta đo [E] cách đo vận tốc phản ứng enzyme xúc tác

Có nhiều trường hợp mơi trường có chứa chất kìm hãm hay hoạt hố vận tốc phản ứng enzyme xúc tác khơng phụ thuộc tuyến tính với [E]

v

[E]

Hình 6.1: Sự phụ thuộc vận tốc phản ứng vào [E] 6.5.2 Ảnh hưởng nồng độ chất [S]

(1) Gọi v1 vận tốc phản ứng tạo thành phức chất ES

Gọi v-1 vận tốc phản ứng phân ly phức chất ES để tạo thành E S

Gọi v2 vận tốc phản ứng tạo thành E P (sản phẩm) v1 = k1[E][S]

v-1 = k-1[ES] v2 = k2[ES]

Khi hệ thống đạt trạng thái cân ta có: k-1[ES]+k2[ES] = k1[E][S]

(k-1+k2)[ES] = k+1[E][S] (2) Gọi E0 nồng độ ban đầu:

[E0]=[E]+[ES]=>[E]=[E0]-[ES] (3) Thay trị số [E] từ (3) vào (2) ta có:

(k-1+k2)[ES] = k1([E0]-[ES]) [S] k1 [E0] [S]

[ES] = - k-1+ k2+k1[S] Nếu đặt Km= k-1+k2/ k1

(Km: gọi số Michaelis Menten) Ta có : [ES] = [E0][S]/ Km+[S]

Mặt khác vận tốc phản ứng tạo thành sản phẩm P là: V = k2[ES]

Thay [ES] giá trị ta thu được: k2[E0] [S]

Qua ta thấy nồng độ enzyme cao vận tốc phản ứng enzyme lớn Vận tốc đạt cực đại toàn enzyme liên kết với chất, nghĩa là:

Vmax= k2[E0]

Thay vào phương trình (4) ta được:

[S]

v = Vmax - (5) Km+ [S]

Phương trình (5) gọi phương trình Michaelis Menten

Km gọi số Michaelis Menten đặc trưng cho enzyme Km đặc trưng cho lực enzyme với chất, Km có trị số nhỏ lực enzyme với chất lớn, nghĩa vận tốc phản ứng enzyme xúc tác lớn

[S]

Hình 6.2 Biến thiên vận tốc phản ứng theo nồng độ chất

Khi tăng [S] v phản ứng tăng, tăng [S] đến giá trị v đạt đến giá trị vmax không tăng ta tiếp tục tăng [S]

Khi Km=[S] v =1/2 Vmax

Năm 1934 Lineweaver Burk, sở phương trình (5) nghịch đảo để biến thành dạng đường thẳng y=ax+b, có ý nghĩa lớn việc nghiên cứu kìm hãm enzyme

1/v

1/Vmax

-1/Km 1/[S]

Hình 6.3: Sự phụ thuộc tốc độ phản ứng vào nồng độ chất theo Lineweaver-Burk

6.5.3 Ảnh hưởng chất kìm hãm (inhibitor)

Là chất có tác dụng làm giảm hoạt độ hay làm enzyme khơng cịn khả nâng xúc tác biến chất thành sản phẩm Kìm hãm enzyme thực nhiều cách khác (thuận nghịch hay khơng thuận nghịch) Thuận nghịch có:

Cách 1: Kìm hãm cạnh tranh (competitive inhibition)

Trong trường hợp kìm hãm cạnh tranh chất chất kìm hãm tác dung lên trung tâm hoạt động enzyme, Chất kìm hãm chốn chổ chất enzyme

Hình 6.4 Kiểu kìm hãm cạnh tranh

Khi chất dư thùa, nồng độ chất kìm hãm thấp loại bỏ tác dụng chất kìm hãm, cịn nồng độ chất thấp nồng độ chất

kìm hãm cao lại có tác dụng kìm hãm hồn toàn

1/v

[I]

1/Vmax Khơng có chất kìm hãm

1/[S]

Hình Sự phụ thuộc tốc độ phản ứng vào nồng độ chất theo Lineweaver-Burk có kìm hãm cạnh tranh

Người ta thấy kìm hãm phần lớn xẩy chất kìm hãm chất có tương đồng mặt hố học ví dụ: malic acid có cấu trúc gần giống với succinic acid nên kìm hãm cạnh tranh enzyme succinatedehydrogenase, enzyme xúc tác cho biến đổi succinic acid thành acid fumaric acid

Trường hợp đặc biệt kìm hãm cạnh tranh kìm hãm sản phẩm Trường hợp xẩy sản phẩm phản ứng tác dụng trở lại enzyme chốn vị trí hoạt động phân tử enzyme

Đường thẳng có chất kìm hãm có độ xiên lớn cắt trục tung điểm 1/Vmax

Cách 2: Kìm hãm phi cạnh tranh (uncompetitive inhibition)

Hình 6.6 Kiểu kìm hãm phi cạnh tranh

1/v=(Km/Vmax)1/[S] + α’/Vmax

1/v

[I]

-1/Km khơng có chất kìm hãm

1/[S]

Cách 3: Kìm hãm hỗn tạp( mixed inhibition )

Hình 6.8 Kiểu kìm hãm hỗn tạp

Trong đó, chất kìm hãm khơng liên kết với enzmye tự mà liên kết với phức hợp ES tạo thành phức hợp EIS không tạo sản phẩm P

Tương tự ta có phương trình :

1/v= (αKm/Vmax)1/[S] +α’/vmax

1/v

[I]

1/Vmax khơng có chất kìm hãm

1/[S]

Các giá trị α ,α’ định nghĩa Trường hợp α = α’ gọi kìm hãm không cạnh tranh (noncompetitive inhibition)

Một trường hợp kìm hãm cịn gặp kìm hãm enzyme nồng độ cao chất gọi “kìm hãm chất” kìm hãm urease nồng độ ure cao, ngồi cịn có enzyme khác lactatdehydrogenase, carboxypeptidase, lipase, pyrophotphatase, photphofructokinase (đối với ATP) Nguyên nhân tượng cón chưa biết rõ Đó là:

+ Tồn nhiều trung tâm liên kết với chất lực khác Khi nồng độ chất thấp enzyme liên kết với phân tử chất, nồng độ chất cao liên kết với nhiều chất dẫn đến hình thành phức hợp ES không hoạt động

+ Cơ chất liên kết nhờ vị trí đặc biệt enzyme Đó nhóm enzyme quan trọng (enzyme dị lập thể) bên cạnh trung tâm xúc tác cịn có trung tâm điểu chỉnh

+ Cơ chất liên kết với chất hoạt hố cách tách khỏi E

+ Cơ chất chốn chổ (ngăn cản) cofactor ( đồng yếu tố ) hay coenzyme

+ Cơ chất ảnh hưởng đến ion lực mơi trường qua làm tình chun hố enzyme

6.5.4 Ảnh hưởng chất hoạt hóa (activator)

Là chất làm tăng khả xúc tác nhằm chuyển hóa chất thành sản phẩm Thơng thường cation kim loại hay hợp chát hữu vitamin tan nươc

Ví dụ: Mg++ hoạt hóa enzyme mà chất phosphoryl hóa pyrophosphatase (cơ chất pyrophosphate), adenosinetriphosphatase (cơ chất ATP) Các cation kim loại có tính đặc hiệu, tính đối kháng tác dụng cịn tuỳ thuộc vào nồng độ

6.5.5 Ảnh hưởng cuả nhiệt độ

Ta tăng vận tốc phản ứng hóa học cách tăng nhiệt độ môi trừơng, tượng tuân theo quy luật Vant’-Hoff Điều có nghĩa tăng nhiệt độ lên 100C tốc độ phản ứng tăng lên khỏang lần

xúc tác Sau nhiệt độ tối ưu tốc độ phản ứng enzyme xúc tác giảm Nhờ tồn nhiệt độ tối ưu người ta phân biệt phản ứng hoá sinh với phản ứng vô thông thường

Mỗi enzyme có nhiệt độ tối ưu khác nhau, phần lớn phụ thuộc nguồn cung cấp enzyme, thông thường khoảng từ 40-600C , có enzyme có nhiệt độ tối ưu cao enzyme chủng ưa nhiệt Các chủng vi sinh vật ưa nhiệt, đăc biệt vi khuẩn chịu nhiệt có chứa enzyme chịu nhiệt cao

Họat độ

nhiệt độ

Hình 6.10 Ảnh hưởng nhiệt độ lên họat độ enzyme 6.5.6 Ảnh hưởng pH

Sự phân li khác phân tử protein giá trị pH khác làm thay đổi tính chất trung tâm liên kết với chất tính chất hoạt động phân tử enzyme.Điều dẩn đến giá trị xúc tác khác phụ thuộc vào giá trị pH Như biết enzyme có pH tối ưu,mỗi enzyme có đường biểu diễn ảnh hưởng pH lên vận tốc phản ứng chúng xúc tác Đường biểu diễn có dạng hình sau:

Họat độ

Ảnh hưởng giá trị pH đến tác dụng enzyme sở sau: a/ Enzyme có thay đổi khơng thuận nghịch phạm vi pH cực hẹp b/ Ở hai sườn pH tối ưu xảy phân ly nhóm prosthetic hay coenzyme

c/ Làm thay đổi mức ion hoá hay phân ly chất

d/ Làm thay đổi mức ion hố nhóm chức định phân tử enzyme dẫn đến làm thay đổi lực liên kết enzyme với chất thay đổi hoạt tính cực đại

Nhờ xác định Vmax Km phụ thuộc giá trị pH cho phép nhận định lại chất nhóm tham gia vào liên kết chất trình tự xúc tác

6.5.7 Các yếu tố khác

+ Ánh sáng: Có ảnh hưởng khác đến loại enzyme, bước sóng khác có ảnh hưởng khác nhau, thường ánh sáng trắng có tác động mạnh nhất, ánh sáng đỏ có tác động yếu

Ánh sáng vùng tử ngoại gây nên bất lợi, enzyme trạng thái dung dịch bền kết tinh dạng tinh thể, nồng độ enzyme dung dịch thấp bền, tác động tia tử ngoại tăng lên nhiệt độ cao Ví dụ tác động tia tử ngoại nhiệt độ cao enzyme amylase nhanh chóng hoạt tính

+ Sự chiếu điện: Điện chiếu với cường độ cao tác động phá huỷ mạnh Tác động mạnh dịch enzyme có nồng độ thấp Có thể tạo thành gốc tự do, từ cơng vào phản ứng enzyme

+ Sóng siêu âm: Tác động khác loai enzyme, có enzyme bị hoạt tính, có enzyme lại không chịu ảnh hưởng

Nhận xét chung: Độ bền phụ thuộc vào trang thái tồn enzyme, tinh khiết enzyme bền, dịch lỗng độ bền kém, tác động số ion kim loại dịch với nồng độ khoảng 10-3M Ca++ làm tăng tính bền

Enzyme allosteric ( Enzyme dị lập thể, dị không gian)

Hình 6.11 Biến thiên vận tốc phản ứng theo nồng độ chất

Đối với enzyme này, nồng độ chất thấp tốc độ phản ứng tăng chậm, sau tiếp tục tăng nồng độ tốc độ nhanh chóng đạt giá trị cực đại

Như ta biết, enzyme tuân theo động học Michaelis-Menten hay nhiều chất liên kết vào vị trí phân tử enzyme, điều dẫn đến enzyme bão hòa chất Cịn enzyme có đường cong tốc độ sigmoid xuất enzyme oligomer, nên liên kết với nhiều phân tử chất Điều có nghĩa enzyme allosteric có nhiều trung tâm liên kết, monomer có trung tâm liên kết

Người ta cho rằng, trường hợp có tính hợp tác vị trí liên kết chất phân tử enzyme oligomer

Các enzyme oligomer Monod gọi allosteric enzyme dị lập thể (allosteric enzyme) Đường cong tốc độ sigmoid bị chất điều hịa (modulator) đẩy phía trái hay phải Chất điều hòa dương tức làm tăng lực enzyme allosteric với chất, ngược lại chất điều hịa âm Các chất điều hịa làm ảnh hưởng khác đến thông số

động học, làm thay đổi giá trị riêng lẻ hai giá trị Km hay Vmax

6.6 Cách gọi tên phân loại enzyme

Như ta biết enzyme xúc tác cho kiểu phản ứng hoá học (như oxy hoá kiểu chất định, thuỷ phân kiểu liên kết định,vận chuyển nhóm chất định từ chất chất nhận có địa chỉ, có việc biến đổi chất nhất), mặt khác cịn có kiểu phản ứng hố sinh định xúc tác enzyme khác

Dựa vào tính đặc hiệu phản ứng enzyme, năm 1961 tiểu ban enzyme học quốc tế trình bày báo cáo, có đề nghị nguyên tắc định tên phân loại enzyme Người ta chia enzyme làm lớp:

Oxydoreductase: enzyme xúc tác cho phản ứng oxi hoá-khử Transferase: enzyme xúc tác cho phản ứng chuyển vị Hydrolase: enzyme xúc tác cho phản ứng thủy phân Lyase: enzyme xúc tác cho phản ưng phân cắt không cần nước Isomerase: enzyme xúc tác cho phản ứng đồng phân hoá Ligase (synthetase): enzyme xúc tác cho phản ứng tổng hợp có sử dụng liên kết giàu lượng ATP v.v

Mỗi lớp chia thành nhiều tổ (dưới lớp), tổ chia thành nhiều nhóm (siêu lớp)

Tên enzyme thường gọi: Tên chất đặc hiệu - loại phản ứng xúc tác cộng thêm tiếp vĩ ngữ ase

Đứng trước tên enzyme thường có số: số thứ lớp, số thứ hai tổ, số thứ ba nhóm, số thứ tư số hạng enzyme nhóm

Ví dụ: (2.6.1.1) L.aspartate: α-cetoglutarate aminotransferase Enzyme xúc tác cho phản ứng chuyển nhóm amine từ L.aspartate đến α-cetoglutarate

L.aspartate +α-cetoglutarate ' oxaloacetate + glutamate

6.7 Các coenzyme quan trọng

Flavine adenine dinucleotide

Lipoic acid

Coenzyme A

Thiamin diphosphate

(Nhóm ε- amino protein, Schiff base)

Pyridoxal phosphate

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tài liệu tiếng Việt

1 Phạm Thị Trân Châu, Trần thi Áng 1999 Hoá sinh học, NXB Giáo dục, Hà Nội

2 Đỗ Quý Hai 2004 Giáo trình Hóa sinh đại cương, Tài liệu lưu hành nội Trường ĐHKH Huế

3 Trần Thanh Phong 2004 Giáo trình Hóa sinh đại cương, Tài liệu lưu hành nội Trường ĐHKH Huế

4 Lê Ngọc Tú (chủ biên), Lê Văn Chứ, Đặng Thị Thu, Phạm Quốc Thăng Nguyễn Thị Thịnh, Bùi Đức Hợi, Lưu Duẫn, Lê Dỗn Diên, 2000 Hóa sinh Cơng nghiệp, Nxb KH&KT, Hà Nội

Tài liệu tiếng Anh

1 Bergmeyer H U 1968 Methods of enzymatic analysis, translated from the third German edition, Acanamic, New York

2 Copeland R A 2000 Enzymes, copyright by Wiley-VCH, Inc

3 Lehninger A L 2004 Principles of Biochemistry, 4th Edition W.H Freeman

Chương

Hormone

7.1 Cơ chế tác dụng hormone

Hormone chất hữu tạo thành thể có tác dụng điều hồ hoạt động sống thể Lượng hormone thể thường thấp

Hormone có thực vật động vật Ở động vật hormone sản xuất tuyến nội tiết tác động đến mơ khác nơi tạo Hormone từ tuyến nội tiết tiết trực tiếp vào máu máu vận chuyển đến mô chịu tác dụng

Hormone có tính đặc hiệu Hormone có tác dụng điều hồ q trình sinh lý, hố sinh thể mà khơng tham gia trực tiếp vào phản ứng thể Hormone có tác động đến tốc độ sinh tổng hợp protein, enzyme, ảnh hưởng đến tốc độ xúc tác enzyme; thay đổi tính thấm màng tế bào, qua điều hoà hoạt động sống xảy tế bào Một số hormone tác động đến thể thông qua chất trung gian AMP vòng AMP vòng chất truyền tin thứ 2, hormone chất truyền tin thứ Theo chế tác dụng hormone lên tế bào đích xảy qua nhiều giai đoạn phức tạp

- Trong màng nguyên sinh chất tế bào có chứa chất nhận hormone, chất kết hợp đặc hiệu với hormone

- Sự kết hợp kích thích làm tăng hoạt độ adenylatcyclase xúc tác cho phản ứng chuyển hoá ATP thành AMP vòng

- Adenylatcyclase xúc tác cho phản ứng chuyển hố ATP thành AMP vịng

- AMP vịng làm thay đổi vận tốc trình xảy tế bào liên quan đến hoạt động hormone

- Như tác dụng hormone theo chế phải thơng qua AMP vịng mà khơng tác động trực tiếp vào tế bào

hormone-chất nhận xúc tác Dịng thơng tin truyền từ chất nhận hormone đến protein G đến adenylatcyclase

- Protein G khơng có vai trị trung gian mang thông tin từ chất nhận hormone đến adenylatcyclase mà cịn có hoạt tính GTPase, khả thuỷ phân GTP Nhờ khả nên xúc tác cho trình chuyển phức proteinG-GTP hoạt động thành dạng proteinG-GDP không hoạt động thuỷ phân GTP phức proteinGTP thành GDP tạo nên phức proteinG-GDP Bằng chế protein G có vai trị quan trọng q trình hoạt hố hay phản hoạt hố adenylatcyclase Khi lượng hormone giảm adenylatcyclase trở thành dạng không hoạt động

- Nhiều hormone có chế tác động thơng qua vai trị trung gian AMP vịng Như AMP vịng tham gia vào nhiều q trình khác chế tác động hormone Đó AMP vịng có tác dụng hoạt hố proteinkinase enzyme xúc tác q trình photphoryl hố nhiều loại protein khác Thường protein enzyme dạng phosphoryl hoá dạng có hoạt tính sinh học

- Các hormone tác dụng theo chế qua AMP vịng, tín hiệu khuyếch đại lên nhiều lần, nồng độ hormone máu thấp, khoảng 10-10M, cần hoạt hoá phân tử adenylatcyclase tạo nhiều phân tử AMP vịng nên nồng độ AMP vịng tế bào đích cao nhiều lượng hormone máu Tác dụng hoạt hố proteinkinase nhờ AMP vịng lại làm cho tín hiệu khuyếch tán tiếp tục nhiều phân tử protein hoạt hố nhờ proteinkinase Điều giải thích nồng độ hormone máu thấp mà tác dụng kích thích lại mạnh

- Một chế tác động thứ hai hormone khơng qua AMP vịng.Insulin hormone tác động đến tế bào đích khơng qua bước trung gian làm tăng lượng AMP vòng Insulin liên kết chặt chẻ với chất nhận đặc hiệu màng nguyên sinh chất tế bào đích Tương tác Insulin chất nhận bảo đảm cho tác động Insulin thể nhanh chóng Insulin cịn có tác dụng phosphoryl hố protein tham gia vào chế kích thích q trình trao đổi glycogen

- Cơ chế tác dụng hormone thực vật hoàn toàn khác hormone động vật Các hormone thực vật tác động lên hoạt tính enzyme cách liên kết với enzyme để tạo phức hoạt động Khi liên kết với hormone hoạt tính enzyme tăng lên

- Một chế tác động quan trọng hormone thực vật thay đổi tính chất nguyên sinh chất tế bào, từ ảnh hưởng đến hoạt động sinh lý, trao đổi chất tế bào

7.2 Các hormone quan trọng

7.2.1 Hormone động vật

- Hormone động vật có nhiều loại với cấu tạo chức khác Dựa vào cấu tạo hố học chia hormone động vật thành nhóm:

- Hormone steroid dẫn xuất cholesterol - Hormone dẫn xuất amino acid

- Hormone peptide hay protein 7.2.1.1 Hormone steroid

- Đây nhóm hormone có số lượng lớn, có vai trị quan trọng đa dạng Người ta chia steroid thành nhóm nhỏ với nhiều loại khác nhau:

T

T Nhóm Đại diện

Nơi tạo

thành Vai trò

1 Progestagen Progesterol

-Thể vàng -Vỏ thượng thận

Hormone dưỡng thai giúp trứng phát triển

2

Glucocorticoid Cortisol Vỏ thượng thận

- Kích thích tổng hợp glycogen tích luỹ glycogen gan

- Kích thích phân giải protein, lipid

- Chống viêm, tích nước muối

3 Mineral corticoid Andosterol

Vỏ thượng thận

- Tăng hấp thụ Na+, Cl-

- Tăng tích nước - Bài tiết K+

4 Androgen Testosterol Tinh hoàn Phát triển đặc điểm nam giới

5 Estrogen Estron Buồng trứng

- Phát triển đặc điểm nữ giới

7.2.1.2 Hormone dẫn xuất amino acid

Đến người ta biết số hormone dẫn xuất amino acid adrenaline, noradrenaline, thyroxine

- Adrenaline noradrenaline hormone tuyến thượng thận tạo Các hormone có tác dụng kích thích phân giải glycogen, làm giảm tổng hợp glycogen nên làm tăng hàm lượng glucose máu

Adrenaline OH

HO CHOH - CH2 - NH - CH3

Noradrenaline OH

HO CHOH - CH2 - NH2

Thiroxine hormone tuyến giáp sản xuất có tác dụng tăng cường trình trao đổi chất, giúp cho thể phát triển bình thường Nếu thiếu thyroxine gây nên trạng thái thiểu tuyến giáp làm cho thể lùn, phát triển, đần độn Ngược lại thừa thyroxine gây bệnh ưu tuyến giáp làm cho người cao khổ, không cân đối

Thyroxine (Tetraiodothyronine) O

I HO

I

NH2 CH2 - CH

COOH I

Đây nhóm hormone có vai trị quan trọng q trình điều hồ trao đổi chất thể, đặc biệt điều hoà lượng đường máu

Một số hormone peptide:

STT Hormone Nơi tạo Vai trò

1 Tyrocalcitonin Tuyến giáp Giảm hàm lượng Ca++ máu Insulin Tuyến tụy Giảm lượng đường máu Glucagon Tuyến tụy Tăng lượng đường máu Oxytoxin (HGF) Tuyến yên Gây co con, kích thích đẻ Vasopressin (ADH) Tuyến yên Tăng áp, chống tiết Melanotropin (MSH) Tuyến yên Kích thích tăng sắc tố da

7 Somatotropin (STH) Tuyến yên Kích thích tăng trưởng, tăng TĐC Corticotropin (ACTH) Tuyến yên Kích thích tuyến thận

9 Thyreotropin (TSH) Tuyến yên Kích thích tuyến giáp 10 Kích nang tố (FSH) Tuyến yên Kích thích tạo estradiol

Sau đề cập đến số hormone nhóm này:

- Insulin: Insulin tiết từ tế bào beta đảo Langẻhan tuyến tụy lượng đường máu cao Insulin kích thích q trình tổng hợp, kìm hãm q trình phân giải glycogen gan, mơ mỡ Insulin cịn kích thích phân giải glucose Nhờ insulin làm giảm lượng đường máu, chống lại bệnh đái tháo đường

Insulin có khối lượng phân tử 5800 Cấu tạo insulin gồm chuỗi polypeptide: chuỗi A có 21 amino acid, chuỗi B có 30 amino acid Hai chuỗi liên kết với liên kết disunfit

Tiền chất insulin proinsulin preproinsulin.Từ preproinsulin biến đổi thành proinsulin, sau insulin tạo nên từ proinsulin

- Glucagon hormone peptide, có tác dụng ngược với insulin Khi lượng đường máu giảm qúa mức cho phép tuyến tuỵ sản sinh glucagon có tác dụng làm tăng lượng đường máu nhờ kìm hãm trình tổng hợp glycogen

7.2.2 Hormone thực vật

Hormone thực vật chất có vai trị quan trọng q trình sinh trưởng, phát triển thực vật Có nhiều loại hormone khác thể thực vật Các loại hormone khác chất hoá học, vai trị thực vật Có thể chia hormone thực vật thành nhóm:

- Auxin - Gibberellin - Cytokinin - Absisic acid - Ethylen 7.2.2.1 Auxin

Auxin nhóm hormone quan trọng, phổ biến thực vật Có nhiều loại auxin khác với cấu trúc hoá học khác Loại auxin quan trọng β-indol-acetic acid (IAA), số auxin khác phổ biến napthalen-acetic acid (NAA), phenyl-acetic acid (PAA)

PAA

CH2-COOH

NAA

CH2-COOH

IAA

CH2-COOH

N H

Auxin có vai trị nhiều mặt thực vật:

- Kích thích sinh trưởng tế bào, từ kích thích sinh trưởng quan tồn thể

- Có vai trị định tượng ưu đỉnh

- Có vai trị định cử động sinh trưởng hướng sáng, hướng trọng lực

- Kích thích hoạt động sinh lý, trình trao đổi chất lượng thể

7.2.2.2 Gibberellin

Gibberellin nhóm hormone quan trọng thứ hai thực vật Gibberellin nhà khoa học Nhật phát lần loài nấm gây bệnh lúa von (Gibberellin fujcoroi) Có nhiều loại Gibberellin khác nhau, đến tìm thấy 70 loại Gibberellin có mặt thực vật, vi sinh vật Người ta đặt tên Gibberellin theo thứ tự thời gian phát GA GA GAn, quan trọng kể đến GA1 Các Gibberellin dẫn xuất vòng gibban

C = O

Cấu tạo GA3

COOH CH3

HO

O

CH2

OH

Gibberellin có vai trị quan trọng q trình sinh trưởng, phát triển thực vật:

- Kích thích sinh trưởng tế bào, qua kích thích sinh trưởng quan thể

- Kích thích q trình nảy mầm, phá trạng thái ngủ hạt, củ - Kích thích hoa ngày dài

- Kích thích hoạt động sinh lý, trình trao đổi chất lượng thể

7.2.2.3 Cytokinin

Xitokinin tham gia nhiều hoạt động sống quan trọng thực vật: - Kích thích phân bào qua kích thích sinh trưởng tế bào - Làm chậm q trình hố già tế bào, mô

- Giúp cho thực vật chống lại stress mơi trường có hiệu - Là thành phần cấu tạo nucleic acid (trong số loại RNA) nên có vai trị trình trao đổi nucleic acid protein

- Kích thích hoạt động sinh lý, q trình trao đổi chất lượng thể

7.2.2.4 Absisic acid

Acid absisic (ABA) nhóm chất ức chế sinh trưởng có tác dụng ngược lại nhóm chất Absisic acid dẫn xuất triterpen

N

N

Zeatin

N H

HN - CH2- CH = CH

N N

CH2OH

Kinetin

HN - CH2

O

CH3

N

N H N

N

ABA CH3

CH3 CH3 CH3

COOH OH

Tác dụng chủ yếu ABA ức chế trình sinh trưởng tế bào, gây tượng rụng lá, rụng ABA kéo dài thời gian ngủ hạt, củ

Do ức chế sinh trưởng thực vật nên ABA phối hợp với nhóm chất kích thích sinh trưởng để điều hồ q trình sinh trưởng thực vật xảy cân đối

7.2.2.5 Ethylen

Ethylen (CH2 = CH2) nhóm hormone thực vật có tác dụng gần giống ABA nên thuộc nhóm chất ức chế sinh trưởng Etylen thúc đẩy q trình chín quả, trình rụng

Khác với hormone động vật, hormone thực vật tổng hợp phần khác mà khơng có tuyến tiết chuyên biệt Các hormone thực vật tổng hợp vùng khác

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tài liệu tiếng Việt

1 Trần Thị Ân (chủ biên) 1979 Hóa sinh đại cương (tập I, II) NxB KH&KT Hà Nội

2 Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng 2000 Hóa sinh học Nxb Giáo dục Hà Nội

3 Nguyễn Bá Lộc 1997 Hóa sinh Nxb Giáo dục Hà Nội

Tài liệu dịch

1 Musil J.G., Kurz K., Novakava O 1982

2 Sinh hóa học đại theo sơ đồ Nxb Y học Hà Nội

Tài liệu tiếng nước

1 Farkas G 1984 Nưvényi anyagcserlettan Akadémiai Kiadó Budapest Lehninger A L., 2004 Principle of Biochemistry, 4th Edition W.H Freeman

Chương

Khái niệm trao đổi chất trao đổi lượng

Trao đổi chất trao đổi lượng chất hoạt động sống thể sinh vật, biểu tồn sống Sự trao đổi chất thể ln gắn liền với trao đổi chuyển hóa lượng Chính vậy, trao đổi chất trao đổi lượng hai mặt trình liên quan chặt chẽ với

8.1 Khái niệm chung trao đổi chất

Cơ thể sống tồn tại, phát triển môi trường không ngừng liên hệ mật thiết với mơi trường Nó hấp thụ chất khác từ mơi trường ngồi, làm biến đổi chất mặt tạo nên yếu tố cẩu tạo thân thể sống, mặt khác lại thải vào mơi trường ngồi sản phẩm phân giải thể sản phẩm hình thành trình sống thể Q trình thực biến đổi hóa học liên tục xảy thể Người ta gọi toàn biến đổi hóa học trao đổi chất

Sự trao đổi chất bao gồm nhiều khâu chuyển hóa trung gian Các trình xảy phức tạp mô, tế bào bao gồm trình đồng hóa (tổng hợp) dị hóa (phân giải) tạo nên chu kỳ trao đổi chất liên tục chất nguyên sinh chất nhận vào

Q trình đồng hóa hấp thụ chất từ mơi trường bên ngồi, biến đổi chúng thành sinh chất mình; biến đổi chất đơn giản thành chất phức tạp hơn, tích lũy lượng cao Đây trình biến đổi chất không đặc hiệu (các chất hữu thức ăn glucid, lipid, protein) từ nguồn khác (thực vật, động vật, vi sinh vật) thành chất hữu khác (glucid, lipid, protein) đặc hiệu thể Đặc điểm trình thu lượng Năng lượng cần thiết cung cấp cho phản ứng tổng hợp chủ yếu dạng liên kết cao ATP

NH3 ) để thải mơi trường Năng lượng tích trữ ATP sử dụng cho nhiều phản ứng thu lượng khác

Hai trình đồng hóa dị hóa xảy liên tục liên quan với khơng tách rời Q trình đồng hóa q trình địi hỏi lượng đồng thời phải xảy q trình dị hóa để cung cấp lượng cho q trình đồng hóa Do trao đổi chất trao đổi lượng hai mặt vấn đề

Tùy theo kiểu trao đổi chất, người ta chia sinh vật thành hai nhóm: nhóm sinh vật tự dưỡng nhóm sinh vật dị dưỡng

Nhóm sinh vật tự dưỡng bao gồm tất sinh vật tự tổng hợp chất dinh dưỡng cần thiết cho chúng Để tồn phát triển, nhóm cần H2O, CO2, muối vơ nguồn lượng Có hai hình thức tự dưỡng Đó hình thức tự dưỡng quang hợp hình thức tự dưỡng hóa hợp Hình thức đầu thể xanh vi khuẩn tía, vi khuẩn lưu huỳnh vốn dùng quang để tổng hợp chất hữu Hình thức sau thể số vi khuẩn nhận lượng q trình oxy hóa chất vơ

Nhóm sinh vật dị dưỡng bao gồm sinh vật khả tự tổng hợp chất dinh dưỡng từ chất vô mà phải sống nhờ vào chất dinh dưỡng nhóm sinh vật tự dưỡng tổng hợp nên

Như vậy, trình trao đổi chất giới sinh vật liên quan chặt chẽ với nhau, tạo nên chu kỳ trao đổi chất chung

Ngoài cách chia trên, theo kiểu trao đổi chất, người ta chia sinh vật thành hai nhóm lớn: nhóm hiếu khí (aerob) nhóm kỵ khí (anaerob)

Ánh sáng

Sinh vật tự dưỡng

Sinh vật dị dưỡng Glucid, lipid,

protein

O2

Nhóm hiếu khí kiểu trao đổi chất mà q trình oxy hóa có tham gia oxy khí Nhóm kỵ khí kiểu trao đổi chất mà q trình oxy hóa khơng có tham gia oxy khí

Đa số sinh vật thuộc nhóm hiếu khí Nhóm kỵ khí phần nhỏ nhóm sinh vật dị dưỡng bậc thấp Tuy vậy, thể hiếu khí kỵ khí khơng có ranh giới rõ ràng Sinh vật hiếu khí biểu rõ ràng người chẳng hạn có thực phần trình trao đổi chất theo đường kỵ khí (ví dụ mơ cơ)

Q trình chuyển hóa thể sống mang tính thống riêng biệt Các đường chuyển hóa lớn thể động vật, thực vật đơn bào, đa bào theo giai đoạn tương tự Tuy vậy, sâu vào mơ, quan, cá thể lồi lại có nét riêng biệt

Các phản ứng hóa học thể xảy liên tục pH trung tính, 370C, tác dụng xúc tác enzyme

Ở động vật, trình chuyển hóa điều khiển hệ thống thần kinh

8.2 Khái niệm chung trao đổi lượng lượng sinh học

Trao đổi chất gắn liền với trao đổi lượng Đối với thể người, động vật phần lớn vi sinh vật nguồn lượng lượng hóa học chất thức ăn Trong thể, chất dinh dưỡng chủ yếu quan trọng glucid, lipid protein bị oxy hóa Lipid glucid vào thể bị “đốt cháy” sinh CO2, H2O NH3, chất tác dụng với CO2chuyển thành carbamid (ure)

Các trình oxy hóa khử sinh học thuộc phản ứng dị hóa có ý nghĩa quan trọng Chúng khơng nguồn lượng quan trọng dùng để thực phản ứng tổng hợp khác mà nguồn cung cấp hợp chất trung gian dùng làm nguyên liệu cho phản ứng tổng hợp đóng vai trò quan trọng việc liên hợp trình trao đổi chất

So sánh lượng sinh học lượng kỹ thuật ta thấy có đặc điểm sau: thứ nhất, thể không sử dụng nhiệt thành công có ích được; thứ hai, giải phóng lượng thể dần dần, bậc; thứ ba, giải phóng lượng kèm theo phosphoryl hóa nghĩa lượng giải phóng cố định lại liên kết este với phosphoric acid phân tử ATP vốn gọi liên kết cao Từ dạng lượng trung gian (ATP) mà dự trữ sử dụng lượng vào hoạt động sống; thứ tư, khơng sử dụng lượng tự tất loại phản ứng phát nhiệt mà nguồn lượng thể sử dụng trình oxy hóa

8.2.1 Sự biến đổi lượng tự

Sự thay đổi đại lượng lượng tự tiêu quan trọng hiệu ứng lượng tức hệ số tác dụng hữu hiệu phản ứng Có thể định nghĩa lượng tự lượng lượng mà nhiệt độ định biến thành cơng

Tế bào tạo trì cấu trúc trật tự phức tạp nhờ chúng liên tục tiếp nhận lượng tự từ môi trường dạng quang hóa biến hóa thành dạng lượng sinh học để phục vụ cho trình hoạt động sống Sự biến hóa, tích lũy sử dụng lượng sinh học xảy song song với chuyển hóa vật chất tuân thủ nguyên tắc nhiệt động học

Những biến đổi lượng tự hệ thống phản ứng ký hiệu UG có giá trị Kcal/mol Đại lượng UG hiệu số lượng lượng tự trạng thái cuối (sau phản ứng) G2 lượng tự trạng thái đầu (trước phản ứng) G1 Nếu UG<0 (có giá trị âm), phản ứng tỏa nhiệt, xảy cách tự phát Ví dụ phản ứng thủy phân thuộc loại phản ứng Nếu UG = 0, hệ thống trạng thái cân Nếu UG>0 (có giá trị dương), phản ứng thu nhiệt, muốn thực phản ứng cần phải cung cấp lượng Các phản ứng thu nhiệt thực với phản ứng tỏa nhiệt, nghĩa việc tăng lượng tự có phản ứng liên hợp khác tiến hành với việc giảm lượng tự Các trình gắn liền với hoạt động sống thể, nhiều kiểu làm việc tế bào, phản ứng tổng hợp phản ứng thu nhiệt luôn liên hợp với phản ứng tỏa nhiệt

UG = UG + RT lnK

trong UG0 biến đổi lượng tự tiêu chuẩn phản ứng 250C nồng độ tất chất phản ứng mol áp suất 101,3 KPa (1atm), R số khí, T nhiệt độ tuyệt đối, K số cân phản ứng [C]c [D]d /[A]a[B]b tức nồng độ chất tham gia phản ứng A + B ' C + D; a, b, c, d số lượng phân tử A, B, C, D tham gia phản ứng

Trong hệ thống sinh học, tính giá trị UG0 cần ý đến pH, nồng độ H+ mol, pH=0 Trạng thái ion hóa nhiều hợp chất sinh học bị biến đổi pH thay đổi Vì vậy, để thuận tiện cho việc tính tốn, xem trạng thái chuẩn pH ký hiệu thay đổi lượng tự chuẩn pH 7,0 UG0'

8.2.2 Liên kết cao vai trò ATP

Các liên kết hóa học nguyên tử tác nhân mang chủ yếu lượng tự chất hữu Vì vậy, việc biến tạo liên kết hóa học phân tử, mức lượng tự hợp chất thay đổi Xét mặt lượng hợp chất hữu có hai loại liên kết: Liên kết thường liên kết cao (liên kết giàu lượng) Liên kết thường liên kết mà phân giải tạo thành có biến đổi lượng vào khoảng Kcal phân tử gam (Ví dụ liên kết este); liên kết cao biến đổi lớn nhiều từ – 12 kcal/mol Trong hoạt động sống thể sinh vật, trình tổng hợp chất phân tử lớn từ chất đơn giản, vận chuyển tích cực chất qua màng tế bào, q trình vận động v.v ln đòi hỏi lượng tự Trong hệ thống sống cần có chất, hệ thống nhận lượng tự từ trình chuyển đến cho trình khác ATP chất phổ biến giữ vai trị này, chất có vai trị trung tâm trao đổi lượng tế bào thể sống, chất liên kết nói mắt xích hệ thống sử dụng lượng hệ thống sản sinh lượng

Trong phân tử ATP có gốc phosphate, gốc kết hợp với gốc ribose qua liên kết este, liên kết gốc phosphate liên kết anhydric Đó liên kết cao ký hiệu dấu “ ~ ” ATP ( Adenosine Tri Phosphate) biểu thị cách khái quát sau: Adenosine - ~ ~ (trong gốc phosphoric acid ) Khi cắt đứt liên kết cao này, giải phóng số lượng lớn gấp lần so với liên kết este:

P P P

ATP + H2O ' ADP + H3PO4 UG0 = -7 Kcal/mol ( )

P

ATP + H2O ' AMP + H4P2O7 UG0 = - 8,5 Kcal/mol ( P ~ ) P

Nếu tiếp tục thủy phân liên kết este AMP để tạo thành adenosine phosphate vô cơ, lượng tự giải phóng phản ứng thấp nhiều

Sự chuyển hóa tương hỗ ATP ADP có vai trị đặc biệt quan trọng trình trao đổi lượng hệ thống sống

Trong đa số trường hợp thường thấy phosphore sulphure tham gia tạo thành liên kết cao (Bảng 8.1)

Bảng 8.1 Một số dạng liên kết cao thường gặp

Dạng liên kết Kiểu liên kết Có chất UG0 ( Kcal/mol)

ATP, GTP - - Anhydrid phosphate

(pyro phosphate)

~ O ~ ADP, GDP - 1,3Diphosphoglyceric

acid

- 10 - Acyl phosphate

O R – C – O ~

Aminoacyl-AMP - O ~

- Enol phosphate R – C – O ~ CH2 P P P P Phosphoenol Pyruvic acid - 12,8 N ~

- Amid phosphate ( phosphoguanidin) R – C – NH ~

P

NH

Creatin phosphate Arginin phosphate

- 10,5

C ~ S

- Thioeste O R – C ~ S – R’

Acetyl coenzyme A Acyl coenzyme A

- 8,8

P

8.3 Q trình oxy hóa khử sinh học

Có thể định nghĩa trình oxy hóa khử q trình trao đổi điện tử Sự oxy hóa tách hay nhiều điện tử, ngược lại khử oxy thu điện tử Tất chất tham gia vào trình oxy hóa khử thể sống có khả nhường thu điện tử

Đó khả oxy hóa khử Song song với oxy hóa có khử oxy điện tử chuyển từ chất bị oxy hóa sang chất bị khử:

- 2e L

Ví dụ: 2Fe 2+ + Cl2 J 2Fe 3+ + 2Cl-

Đại lượng đặc trưng cho khả oxy hóa khử chất gọi oxy hóa khử Có thể tính oxy hóa khử theo công thức sau:

RT [dạng oxy hóa] (1) E'n= E'o n+ F [ dạng khử] ln

Trong đó: E’n oxy hóa khử chất định điều kiện định E’0 oxy hóa khử điều kiện tiêu chuẩn ( nồng độ hai dạng nhau)

R số khí, T nhiệt độ tuyệt đối, F trị số Faraday

Bảng 8.2 trình bày E’0, hiệu điện oxy hóa khử UE’0 lượng tự UGo hệ

Thế oxy hóa khử cịn dùng để tính lượng tự (ΔGo) giải phóng qúa trình oxy hóa khử theo phương trình:

ΔGo = -nF.ΔE' o (2)

(Các ký hiệu giải thích cơng thức tính oxy hóa khử liên quan đến bảng 8.2 trên)

* Tiến trình oxy hóa sinh học:

Sự phân giải chất dinh dưỡng giải phóng lượng tế bào (sự dị hóa) chia thành giai đoạn bản:

monosaccharid (glucose), protein thành amino acid, lipid thành acid béo

Ở giai đoạn thứ hai: biến chất đơn giản thành chất carbon acetyl CoA (CH3 - CO∼SCoA) (thiếu) Acetyl CoA coi sản phẩm thối hóa chất glucid, lipid protein Nó hình thành β-oxy hóa acid béo, oxy hóa khoảng nửa số α-amino acid oxy hóa hiếu khí glucose

Bảng 8.2 Thế oxy hóa tiêu chuẩn số hệ thống

Hệ thống oxy hóa khử Eo (volt)

pH7, 30oC UE’(volt) 0

UGo

(kcal/pH7, 30oC)

Phosphoryl hóa ADP→

ATP

Điện cực hydro 2H+/ H

2 -0,42

NAD+/ NADH + H+ -0,32

FAD/ FADH2 -0,10 +0,22 -10,1

Cytochrome b Fe3+/ Fe2+ +0,04 +0,14 -6,4

Cytochrome c1 Fe3+/ Fe2+ +0,23 +0,19 -8,7

Cytochrome c Fe3+/ Fe2+ +0,26 +0,03 -1,4

Cytochrome a Fe3+/ Fe2+ +0,29 +0,03 -1,4

Cytochrome a3 Fe3+/ Fe2+ +0,55 +0,26 -12,0

Điện cực oxy 1/2 O2 / O2- +0,81 +0,26 -12,0

+1,13 -52,0

Ở giai đoạn thứ ba: Acetyl CoA hình thành giai đoạn thứ hai bị oxy hóa hồn tồn chu trình Szent-Grgyi-Krebs (chu trình citrat) để hình thành CO2, H2O giải phóng lượng Phần lớn lượng giải phóng giai đoạn thứ ba (khoảng 2/3)

Trong chu trình citrat, hydrogen tách oxy hóa qua chuỗi hơ hấp để tạo nên lượng H2O Năng lượng giải phóng tích trữ phân tử ATP Tồn q trình minh họa sơ đồ hình 8.3

Thức ăn

protein

glucid lipid

glucose Acid béo Amino acid

Acetyl CoA CO2

H2→NAD→FAD→CoQ→Cytb→Cytc1→Cytc→Cyta→Cyta3 O¯¯

1/2O2 ATP

ADP+P

2H+

H2O Chu trình

citrat

Hình 8.3 Tiến trình oxy hóa sinh học

8.4 Chuỗi hơ hấp tế bào phosphoryl hóa oxy hóa

8.4.1 Chuỗi hơ hấp tế bào

tiếp cho oxygen khơng khí mà chuyển dần qua chuỗi phức tạp nhiều mắt xích, bao gồm hệ enzyme oxy hóa khử, oxy hóa khử nằm khoảng oxy hóa khử chất oxygen Các hệ enzyme đặt theo trật tự tăng dần oxy hóa khử tạo thành chuỗi, gọi chuỗi hô hấp hay chuỗi vận chuyển điện tử tế bào Vai trò chuỗi hơ hấp oxy hóa bậc hydrogen chất đến H2O

Cơ chế hoạt động chuỗi hơ hấp tế bào tóm lược sau: Chất cho nguyên tử hydrogen NADH + H+ số trường hợp FADH2 Nguyên tử hydrogen chuyển tới hệ coenzyme Q (CoQ) thông qua hệ trung gian flavoprotein chứa sắt lưu huỳnh Tiếp theo hai điện tử nguyên tử hydrogen tách vào hệ thống vận chuyển điện tử theo trình tự cytochrome b-c1-a-cytochromeoxydase (a3), cuối điện tử chuyển cho oxygen Nguyên tử oxygen bị khử (ở trạng thái ion hóa) kết hợp với 2H+ (proton) để tạo phân tử nước

Quá trình chuyển hydrogen điện tử chuỗi hơ hấp phân thành giai đoạn:

- Giai đoạn 1: Thông thường hydrogen tách từ chất dehydrogenase có coenzyme NAD+(hoặc NADP +) Hydrogen chất gắn vào NAD+, chất từ dạng khử chuyển thành dạng oxy hóa NAD+ từ dạng oxy hóa biến sang dạng khử Mỗi chất có dehydrogenase đặc hiệu tương ứng:

AH2 + NAD+ → A + NADH +H+

(Trong AH2 A chất dạng khử dạng oxy hóa)

NADH khơng thể tự oxy hóa oxygen được, tức trực tiếp chuyển hydrogen cho oxygen mà phải chuyển sang cho dehydrogenase khác có coenzyme FMN FAD

- Giai đoạn 2: NADH (hoặc NADPH) bị oxy hóa dehydrogenase Enzyme flavoprotein có coenzyme FMN FAD Hai eletron chuyển từ NADH + H+ tới FMN (hoặc FAD) cho FMNH2 (hoặc FADH2):

NADH + H+ + FMN→ NAD+ + FMNH2

- Giai đoạn 3: H+ eletron chuyển từ FMNH2 tới coenzyme Q dẫn xuất quinone, gọi ubiquinon (UQ) Coenzyme Q chất tác dụng chuyển vận linh hoạt eletron flavoprotein hệ thống cytochrome Ubiquinon nhận 2e- và tạo semiquinone (UQH-) ubiquinol (UQH2) Đặc tính cho phép làm cầu nối vận chuyển e- từ chất cho 2e- sang chất nhận 1e- Ngồi ra, phức UQ nhỏ kỵ nước, nên dễ dàng di chuyển lớp lipid đôi màng ty thể làm thoi vận chuyển e- phức vận chuyển e- cồng kềnh khác màng ty thể

- Giai đoạn 4: Các enzyme vận chuyển eletron từ CoQH2 đến oxygen Đó hệ thống cytochrome, giữ vai trị trung tâm hơ hấp tế bào Mỗi cytochrome protein enzyme vận chuyển electron có chứa nhóm ngoại hem Ở phân tử cytochrome, nguyên tử sắt liên tục từ trạng thái sắt hai (Fe2+) - dạng khử tới trạng thái sắt ba (Fe3+) - dạng oxy hóa q trình chuyển vận eletron Nhóm hem chuyển vận eletron; ngược lại với NADH, flavin coenzyme Q chất chuyển vận hai electron

Có cytochrome CoQ O2 chuổi chuyển vận electron Thế Oxy hóa khử chúng tăng theo thứ tự: cytb, cytc1, cytc, cyta, cyta3 Cấu trúc tính chất Cytochrome khác Nhóm phụ Cytochrome b, c1, c protoporphyrin có sắt, thường gọi hem Cytochrome a a3 thành phần cuối chuỗi hô hấp tế bào, chúng dạng phức chất gọi Cytochrome oxydase Electron chuyển tới phần Cytochrome a phức chất, tới Cytochrome a3 có chứa đồng (Cu+) dạng khử q trình vận chuyển electron, có lẽ tham gia xúc tác vận chuyển electron từ hem A Cytochrome a3 tới oxygen

Quá trình vận chuyển electron qua hệ thống Cytochrome tóm lược sau:

2e- + cytb Fe3+ → cytb Fe2+

2-Tồn chuỗi hơ hấp tế bào từ chất dạng khử AH2 tới oxygen phân tử qua NAD, flavoprotein, coenzyme Q, hệ thống Cytochrome trình bày hình 8.4

AH2 A

NAD NADH + H+ ATP ADP + P FADH2 (FMNH2) FAD(FMN)

CoQ CoQH2

2Fe2+ 2cytb 2Fe3+

ATP ADP + P

2Fe3+ 2cytc1 2Fe2+

2Fe2+ 2cytc 2Fe3+ 2H+

2Fe3+ 2cyta 2Fe2+

ATP ADP + P

2Fe2+ 2cyta3 2Fe3+

H2O

1/2O2 1/2O

2-Hình 8.4 Chuỗi hơ hấp tế bào

Superoxyd dismutase chứa Mn (Mn.SOD) có mặt matrix chuyển khoảng 80% O¯2 rò rỉ điện tử thành H2O2 20% O¯2 tạo thành chuyển vào cytoplasme, superoxyd dismutase cytoplasme (SOD) hợp tác với hệ thống bảo vệ khác phân hủy tiếp Có thể biểu thị trình sau:

O2 + e- → O¯2 (gốc superoxyd ) 2O¯2 + 2H+ SOD H2O2 + O2 2H2O2 C-ase 2H2O + O2

SOD C-ase enzyme chống oxy hóa (antioxydant enzymes), bảo vệ tế bào chống lại gốc tự độc hại

Như vậy, trình vận chuyển hydrogen đến oxygen tạo H2O, thực chất trình trao đổi electron (cho nhận) cách liên tục Bản chất q trình oxy hóa khử Vì vậy, người ta gọi hơ hấp tế bào oxy hóa khử sinh học

Một điều cần lưu ý thêm là: chuỗi hơ hấp tế bào trình bày chuỗi hơ hấp tế bào bình thường, số trường hợp, chuỗi kéo dài ngắn phụ thuộc vào oxy hóa khử chất

Quan niệm đại hô hấp tế bào bổ sung thêm nhiều chi tiết q trình hơ hấp tế bào kinh điển trình bày Những dạng di chuyển điện tử hydrogen phụ thuộc vào trạng thái chất đến phức hợp khác

8.4.2 Sự phosphoryl hóa oxy hóa

Q trình tổng hợp ATP q trình phosphoryl hóa: ADP + H3PO4 → ATP

Đây trình cần lượng Như biết, mối liên kết cao ATP chứa lượng tự 7Kcal/mol nên để tổng hợp ATP từ ADP theo phản ứng cần cung cấp lượng tương đương 7Kcal/mol Nguồn lượng cung cấp cho q trình phosphoryl hóa khác Sự phosphoryl hóa quang hóa q trình tổng hợp ATP lục lạp thể nhờ lượng ánh sáng xảy quang hợp Sự phosphoryl hóa oxy hóa trình tổng hợp ATP ty thể nhờ lượng thải phản ứng oxy hóa khử

phương trình (2) cần có chênh lệch oxy hóa khử chất tham gia chuỗi hô hấp tế bào vào khoảng 0,152 volt để tạo thành phân tử ATP

volt nFG

Eo 2.23,06 0,152

7

0

' =Δ = =

Δ

Trong chuỗi hơ hấp có điểm tương hợp hơ hấp với phosphoryl hóa: 1) NADH với flavoprotein; 2) cytochrome b c1; 3) cytochrome a cytochrome oxydase (hình 8.4.) Điều có nghĩa proton electron đựoc chuyển từ NADH + H+ tới oxygen tạo điểm phosphoryl hóa, cịn proton electron chuyển chuỗi hô hấp tế bào từ FADH2 có điểm phosphoryl hóa

Mối tương quan P/O (tỉ số P/O) số phân tử phosphate vô đượoc chuyển thành dạng hữu tiêu thụ nguyên tử oxygen Tỉ số biểu thị tương quan q trình phosphoryl hóa oxy hóa khử tế bào, gọi số

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tài liệu tiếng Việt

1 Nguyễn Hữu Chấn, 1983 Enzyme xúc tác Sinh học Nxb Y học, Hà Nội Nguyễn Hữu Chấn, Nguyễn Thị Hà, Nguyễn Nghiêm Luật, Hồng Bích Ngọc, Vũ Thị Phương, 2001 Hóa sinh Nxb Y học, Hà Nội

3 Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng, 2000 Hóa sinh học Nxb Giáo dục, Hà Nội

4 Lê Dỗn Diên, 1975 Hóa sinh thực vật Nxb Nơng nghiệp, Hà Nội

5 Nguyễn Tiến Thắng, Nguyễn Đình Huyên, 1998 Giáo trình sinh hóa đại Nxb Giáo dục, Hà Nội

6 Nguyễn Xuân Thắng, Đào Kim Chi, Phạm Quang Tùng, Nguyễn Văn Đồng, 2004 Hóa sinh học Nxb Y học, Hà Nội

7 Lê Ngọc Tú, La Văn Chứ, Phạm Trân Châu, Nguyễn Lân Dũng, 1982 Enzyme vi sinh vật Nxb KH&KT, Hà Nội

8 Lê Ngọc Tú (chủ biên), Lê Văn Chứ, Đặng Thị Thu, Phạm Quốc Thăng Nguyễn Thị Thịnh, Bùi Đức Hợi, Lưu Duẫn, Lê Dỗn Diên, 2000 Hóa sinh Cơng nghiệp, Nxb KH&KT, Hà Nội

Tài liệu tiếng nước

1 Farkas G 1984 Nưvényi anyagcserlettan Akadémiai Kiadó Budapest Fehér J - Verekei A., 1985 Szabad Gyök Reakciók Jeléntősége az orvostudományban Medicina Kưnyv Kiadó Budapest

3 Karlson P., 1972 Biokémia Medicina Kưnyv Kiadó Bydapest

4 Lehninger A L., 2004 Principle of Biochemistry, 4th Edition W.H Freeman, 2004

Chương 9

Sự trao đổi saccharide

9.1 Sự phân giải saccharide

9.1.1 Sự phân giải polysaccharide disaccharide

Ngoài biện pháp dùng acid để phân giải polysaccharide disaccharide cịn bị phân giải thủy phân hay trình phosphoryl- phân (phosphorolysis)

Sự thủy phân phân giải tinh bột thành glucose, maltose hay dextrin tùy thuộc vào tính chất enzyme: amylase cắt liên kết α-D-glucosidic-1,4 có khả cắt khoảng giữa, β-amylase cắt liên kết 1,4 có khả cắt đầu không khử,γ -amylase đặc biệt tổng hợp từ vi sinh vật có khả cắt liên kết 1,4 enzyme loại trừ (khử) phân nhánh (debranching enzyme, có họat tính glucosidase) cắt dây nối 1,6 amylopectin glycogen Các polysaccharide bị thủy phân cac enzyme tương ứng khác cellulose cellulase, pectin pectinase,

Với disaccharide bị phân giải thành monose nhờ enzyme tương ứng sucrose sucrase để tạo thành glucose fructose, maltose maltase để tạo thành phân tử glucose

Quá trình phosphoryl- phân (phosphorolysis) trình tạo glucose-1-P nhờ enzyme phosphorylase (glycogen phosphorylase hay phosphorylase tinh bột) với diên ion phosphate Phosphoryl- phân khác với thủy phân liên kết glucosidic lượng giải phóng dùng cho tạo liên kết ester glucose-1-P (Hình 9.1.)

Enzyme phosphorylase có coenzyme: Pyridoxal phosphate, nhóm phosphate cơng chất xúc tác acid, công liên kết glucosidic Pi Phosphorylase công vào đầu không khử glycogen (hay amylopectin) đến cách chổ phân nhánh đơn vị glucose ngừng lại Chúng họat động trở lại sau enzyme loại trừ (khử) phân nhánh (debranching enzyme) thực chức transferase glucosidase (Hình 9.2.)

Đầu khơng có tính khử

Đầu khơng có tính khử

Chuỗi glycogen (glucose)n

Hình 9.1 Sự phosphoryl-phân để tạo glucose-1-phosphate

9.1.2 Sự oxy hoá monosaccharide

Đầu không khử liên kết α 1-6

Enzyme loại trừ phân nhánh

Enzyme loại trừ phân nhánh

Hình 9.2: Sự phân giải glycogen glycogen phosphorylase

9.1.2.1 Quá trình phân giải kỵ khí( glycolysis)

Q trình cịn gọi trình Embden-Meyerhof-Parnas, trình chuyển hóa hexose thành pyruvate điều kiện khơng có oxy, khái quát chuyển hóa qua hai giai đọan gồm nhiều phản ứng hình 9.3

Trong điều kiện tế bào phản ứng chiều, xúc tác enzyme hexokinase Kinase tên chung dùng cho enzyme xúc tác chuyển gốc phosphate từ ATP cho chất nhận, lớp phụ transferase Hexokinase xúc tác phosphoryl hóa glucose mà cịn xúc tác phosphoryl hóa hexose khác fructose, manose Hexokinase, kinase khác cần Mg2+ cho hoạt tính chất thật enzyme khơng phải ATP4- mà ATP2-

Hexokinase phổ biến tất loại tế bào Tế bào gan trưởng thành có chứa hexokinase gọi hexokinase D hay glucokinase đặc hiệu cho glucose, khác với dạng khác động học tính chất điều hịa

Phản ứng 2: Chuyển hóa glucose-6-P thành fructose-6-P

Phản ứng mồi thứ

Phản ứng mồi thứ

Sự tách đường phosphate

6C thành đường phosphate 3C

Sự oxy hóa phosphoryl hóa

Phản ứng thứ tạo ATP

Phản ứng thứ tạo ATP (sự phosphoryl hóa

mức chất

Hình 9.3 Quá trình đường phân (glycolysis)

Phản ứng 3: Phosphoryl hóa fructose-6-P thành fructose1,6 biphosphate

Trong điều kiện tế bào phản ứng PFK-1 xúc tác phản ứng chiều

Ở vi sinh vật, sinh vật đơn bào(protista) hầu hết hay tất thực vật có phosphofructokinase dùng P~P, khơng dùng ATP làm nguồn cung cấp phosphate để tạo fructose1,6 biphosphate

Mg2+

Fructose-6-P + PPi Fructose1,6 biphosphate + Pi

Phản ứng 4: Phân cắt Fructose 1,6 biphosphate

Fructose1,6 biphosphate bị phân cắt thành triose phosphate :3-phosphate glyceraldehyde dihydroxy aceton:3-phosphate

Glycogen, tinh bột, disaccharide, hexose vào pha chuẩn bị (preparatory phase) thể rõ hình 9.4

Phản ứng 5: Chuyển hóa nội phân tử triose phosphate

Chỉ hai triose phosphate aldose: 3-P glyceraldehyde tham gia tiếp vào trình đường phân Nhưng dihydroxyaceton-P chuyển hóa thành 3-P glyceraldehyde nhờ triose phosphate isomerase

Glycogen; tinh bột

Hình 9.4: Mối liên quan trình đường phân số saccharide

Phản ứng 6: Oxy hóa 3-P glyceraldehyde thành 1,3 biphosphoglycerate

Xúc tác cho phản ứng enzyme 3-P glyceraldehyde dehydrogenase, có coenzyme NAD+, trung tâm hoạt động có nhóm -SH

Sau tạo phức hợp E-S NADH+H+, phức không bền nên có mặt phosphate vơ tạo thành 1,3 biphosphoglycerate giải phóng enzyme trạng thái tự

Hình 9.5: Cơ chế tác động glyceraldehyde phosphate dehydrogenase

Phản ứng 8: Chuyển hóa 3P glycerate thành 2P glycerate (chuyển gốc P nội phân tử) nhờ enzyme phosphoglycerate mutase cần Mg2+ cho hoạt động Đây phản ứng thuận nghịch:

Cơ chế:

Phản ứng 9: 2P glycerate bị loại nước để tạo thành phosphoenolpyruvate, phản ứng thuận nghịch xúc tác enzyme enolase

Phản ứng 10: Chuyển nhóm phosphate từ phosphoenolpyruvate đến ADP, phản ứng xúc tác pyruvat kinase, để tạo ATP pyruvate

Từ pyruvate, tuỳ thuộc thể, điều kiện mơi trường chuyển hóa thành sản phẩm khác

(kị khí) (kị khí)

Pyruvate

Ethanol + 2CO2 (hiếu khí) Lactate (lên men rượu nấm men ) (lên men lactate)

Acetyl-CoA

Chu trình citric acid

4CO2 + 4H2O

(Động vật, thực vật nhiều tế bào vi sinh vật điều kiện hiếu khí)

Từ pyruvate có khả phân giải trên, ngồi cịn nguồn để tổng hợp số chất khác mà ta không đề cập

cịn q trình lên men vi sinh vật gây (lên men sữa chua, muối dưa, cà …) tạo thành D-lactic acid

Lên men rượu: Nấm men số vi khuẩn khác chuyển hóa pyruvate thành ethanol CO2 Quá trình trải qua bước

Trong bước 1, pyruvate bị khử cacboxyl-hóa vốn xúc tác enzyme pyruvate decarboxylase, enzyme cần Mg2+ có coenzyme TPP Bước 2, acetaldehyde bị khử thành ethanol với NADH+H+ tạo từ oxy hóa khử P glyceraldehyde

9.1.2.2 Q trình phân giải háo khí glucose Chu trình Krebs Có thể chia q trình làm giai đoạn chính:

- Phân giải glucose thành pyruvate (xem trình đường phân) - Chuyển hóa pyruvate thành acetyl- CoA

- Oxy hóa acetyl- CoA thơng qua chu trình Krebs (chu trình citric acid) - Oxy hóa coenzyme khử qua chuổi hô hấp(xem phần khái niệm trao đổi chất)

- Oxy hóa acetyl-CoA qua chu trình Krebs: Do chu trình có mặt sản phẩm trung gian di- tricarboxylic nên chu trình Krebs cịn có tên chu trình tricarboxylic, hay chu trình citric acid Chu trình Krebs bao gồm phản ứng sau (Hình 9.6)

Phản ứng 1: Là phản ứng trùng hợp acetyl-CoA oxaloacetate để tạo thành citrate Năng lượng cần cho trùng hợp phân giải liên kết cao acetyl-CoA cung cấp

Phản ứng 2: Citrate bị biến đổi thành isocitrate, trình thuận nghịch xúc tác enzyme aconitase

Phản ứng 3:

Kết oxy hóa tác dụng xúc tác enzyme isocitrate dehydrogenase nguyên tử hydro chuyền cho NAD(P)+ nguyên tử C tách khỏi chất dạng CO2

Phản ứng 4: Sản phẩm α ketoglutarate vừa bị oxy hóa vừa bị khử carboyl hóa tác dụng xúc tác phức enzyme α-ketoglutarate dehydrogenase Giống phản ứng 3, NADH+H+, CO

2 succinyl CoA tạo thành

Phản ứng 5:

Năng lượng liên kết cao succinyl CoA dùng để tạo ATP thông qua GTP Đây chặng phản ứng chu trình Krebs xảy tích lũy lượng ATP

Phản ứng 6:

Ở có kìm hãm cạnh tranh enzyme succinate malonate Coenzyme khử FADH2 qua chuỗi hô hấp tạo ATP

Phản ứng 7: Là phản ứng hydrate hóa fumarate để tạo malate tác dụng enzyme fumarase

Trạng thái chuyển tiếp Carbanion

Phản ứng 8: Malate tạo phản ứng tiếp tục bị oxy hóa để cho oxaloacetate, enzyme xúc tác cho phản ứng malate dehydrogenase Như vịng chu trình khép kín, oxaloacetate tạo khác với oxaloacetate mở đầu phản ứng thành phần carbon, oxaloacetate bổ sung carbon từ acetyl-CoA Oxaloacetate mở đầu phản ứng có carbon tham gia tạo CO2 phản ứng

Ý nghĩa trình đường phân chu trình Krebs

1/ Là đường hướng phân giải tạo sản phẩm trung gian để tạo thành chất khác cần cho sống

2/ Tạo coenzyme khử ATP

Việc tạo lượng, sử dụng lượng coenzyme khử qua trình đường phân (glycolyis) chu trình Krebs tóm tắt sau:

Glucose→glucose 6-phosphate -1 ATP Fructose 6-phosphate → fructose 1,6-bisphosphate -1 ATP Glyceraldehyde 3-phosphate → 1,3-bisphosphoglycerate NADH 1,3-Bisphosphoglycerate → 3-phosphoglycerate ATP Phosphoenolpyruvate → pyruvate ATP

2 Pyruvate → 2acety-CoA NADH Isocitrate → α-ketoglutarate NADH α-Ketoglutarate → succinyl-CoA NADH Succinyl-CoA → succinate ATP (hoặc GTP)

2 Succinate → fumarate FADH2

Chu trình citric acid

Hình 9.6 Sơ đồ tổng quát chu trình citric acid

Chu trình Glyoxylate

Hình 9.7 Tóm tắt chu trình glyoxylate

9.1.2.3 Chu trình pentose phosphate

Là phân giải trực tiếp glucose Phosphate khơng qua q trình đường phân, gồm giai đoạn oxy hóa tái tạo hexose phosphate

Pentose phosphate (hexose monophosphate) gây oxy hóa khử carboxyl hóa C1 glucose Phosphate, khử NADP+ thành NADPH pentose phosphate

NADPH cần cho phản ứng sinh tổng hợp pentose phosphate cần cho tổng hợp nucleotid nucleic acid

Hình 9.8 Sơ đồ pha thứ chu trình pentose phosphate

9.2 Sự tổng hợp saccharide

9.2.1 Sự tổng hợp saccharide đơn giản Quá trình quang hợp

Cây xanh hấp thụ CO2, khử thành saccharide Đây q trình cần có tham gia ánh sáng diệp lục Ta khái quát trình quang hợp phản ứng sau:

ánh sáng

CO2 + H2O C6H12O6 + O2 Chlorophyll

Quá trình quang hợp gồm hai giai đoạn có chức riêng: Giai đoạn 1: Xảy trình quang phân ly nước đồng thời giải phóng oxy phân tử:

2H2O H+ +O2 ánh sáng

Cùng chlorophill hệ thống chuyền điện tử, ATP tổng hợp từ ADP H3PO4 Vì người ta cịn gọi q trình phosphoryl hóa quang hợp hay quang phosphoryl hóa

Theo Arnon, điện tử bị tách khỏi clorophyll a kích họat photon theo hai đường khác nhau:

Con đường quang phosphoryl hóa vịng xảy hệ quang hóa I, điện tử xuất phát từ P700 qua hệ thống chuyền điện tử trở lại P700 Con

đường cho phép tổng hợp ATP

Con đường quang phosphoryl hóa khơng vịng xảy có tham gia hệ quang hoá I II, Con đường cho phép tổng hợp ATP NADPH2

Khi điện tử, chlorophyll hệ I tiếp tục nhận điện tử hệ II qua khâu chuyền trung gian Điện tử phân tử sắc tố hệ II bổ sung từ H2O Như đường điện tử trình khơng khép kín gọi q trình quang phosphoryl hóa khơng vịng (hình9.10)

Hệ quang hóa II

Hệ quang hóa I

Ánh sáng

Ánh sáng

Phức Mn tách H2O

Phức cyt b

Hình 9.10 : Sơ đồ tóm tắt q trình vận chuyển điện tử quang phosphoryl hố khơng vịng

Chu trình Calvin ( chu trình C3):

Chu trình cố định CO2 M Calvin cộng tìm năm 1951 gọi chu trình Calvin hay chu trình C3

phosphoryl hóa nhờ enzyme 3-phosphoglycerate kinase xúc tác tạo thành 1,3-biphosphoglycerat Chất bị khử tác dụng glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase để chuyển thành glyceraldehyde 3-phosphate (hình 9.11, 9.12)

Hình 9.11 Sự kết hợp CO2 vào ribulose1,5-biphosphate

Hình 9.12 : Sự tổng hợp đường tinh bột tế bào thực vật

Tinh bột

Nhờ tác dụng đồng phân hóa triose phosphate isomerase: glyceraldehyde 3-phosphate tạo thành dihydroxyacetone phosphate

Sau có kết hợp phân tử glyceraldehyde 3- phosphate dihydroxyacetone phosphate phản ứng chuyền aldose để tạo thành fructose 1,6 bi phosphate

Fructose 1, biphosphate di phosphate tạo thành fructose phosphate, ngun liệu để tạo thành hexose khác glucose phosphate Từ dạng đường tổng hợp oligosaccharide polysaccharide khác (hình 9.12)

Một phần fructose phosphate chuyển hóa thành ribulose 1,5-biphosphate, đồng thời khép kín chu trình (hình 9.13)

Hình 9.13: Sự tạo thành phân tử khởi đầu chu trình Calvin - ribulose 1,5-biphosphate

Ghi chú: Các enzyme xúc tác cho chuỗi phản ứng:

(1) Transaldolase 2)Fructose 1,6 -biphosphatase , 3)Transketolase , 4)Transaldolase , 5)Sepdoheptulose 1,7-biphosphatase , 6)Transketolase , 7)Ribose 5-phosphate isomerase , 8)Ribulose 5-phosphate epimerase , 9)Ribulose 5-phosphate kinase

Chu trình Hatch-Slack (chu trình C4) :

Năm 1966, hai nhà khoa học Hatch Slack nghiên cứu phát ngồi chu trình Calvin, số thực vật nhiệt đới lúa miến, ngơ, mía, cỏ gà có q trình đồng hố CO2 theo đường khác Ở thực vật sản phẩm quang hợp quang hợp oxalo acetic acid, phân tử có carbon, khơng phải 3-phosphoglycerate Chu trình cố định CO2 gọi chu trình C4 hay chu trình Hatch-Slack thực vật cố định CO2 theo đường gọi thực vật C4

Có chun hố việc thực chức quang hợp C4: loại lục lạp chuyên trách cố định CO2 với hiệu cao nhất, loại lục lạp chuyên khử CO2 thành chất hữu cho Vì mà hoạt động quang hợp C4 có hiệu nhóm thực vật khác Kết suất sinh học C4 thường cao

Tế bào Mesophyll

Pyruvic acid acid ATP AMP CO2 NADPH2 NADP

PEPA Oxalo acetic acid Malic

Pyruvic acid Malic acid

CO2 NADPH2 NADP

Tinh bột

Tế bào bó mạ Chu

trình Calvin

C6 ch

Con đường cố định CO2 thực vật CAM(Crassulaceae

Acidetabolism)

Đây đường quang hợp thích nghi với điều kiện khơ hạn thực vật mọng nước Nhờ đường quang hợp mà khả chịu hạn chúng cao, hẳn thực vật chịu hạn khác.Do quang hợp điều kiện khó khăn nên cường độ quang hợp thực vật nhóm thường thấp, suất sinh học không cao sinh trưởng chậm thực vật khác

Quá trình cố định CO2: trình cố định CO2 thực vào

ban đêm Ban đêm nhiệt độ khơng khí giảm xuống khí khổng mở để nước CO2 xâm nhập vào qua khí khổng mở

Quá trình tổng hợp monosaccharide (quá trình khử CO2): trình

này diễn vào ban ngày có ánh sáng hoạt hố hệ thống quang hố khí khổng đóng lại

Malic acid bị khử carboxyl hố để giải phóng CO2 cung cấp cho chu trình C3

9.2.2 Tổng hợp oligosaccharide

Sự sinh tổng hợp oligosaccharide phản ứng chuyền gốc glucosyl, tác dụng enzyme : glucosyl transferase, ví dụ:

sucrose glucosyl

Glucose phosphate + fructose sucrose + H3PO4 transferase

Ngoài dạng UDP-glucose dễ dàng chuyền glucose cho fructose để tạo thành sucrose Các dẫn xuất UDP đường chất cho gốc glucosyl hoạt động (Hình 9.13.)

Tổng hợp polysacharide xảy đường chuyển gốc glucosyl tổng hợp oligosaccharide Chất cho gốc glucosyl cịn oligosaccharide maltose, sucrose…

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tài liệu tiếng Việt

1 Phạm Thị Trân Châu, Trần thi Áng 1999 Hoá sinh học, NXB Giáo dục, Hà nội

2 Đỗ Q Hai 2004 Giáo trình Hóa sinh đại cương, Tài liệu lưu hành nội Trường ĐHKH Huế

3 Võ Mai Hương 2004 Giáo trình Sinh lý thực vật, Tài liệu lưu hành nội Trường ĐHKH Huế

4 Trần Thanh Phong 2004 Giáo trình Hóa sinh đại cương, Tài liệu lưu hành nội Trường ĐHKH Huế

Tài liệu tiếng Anh

1 Halliwell, R 1984.Chloroplast Metabolism: the structure and function of Chloroplast in green leaf cells, Clarendon, Oxford

Chương 10

Trao đổi Lipid

10.1 Sự phân giải lipid

10.1.1 Phân giải glycerid

Glycerid dễ dàng bị thủy phân xúc tác loại lipase

H2COOCR1

HCOOCR2 + 3H2O

H2COOCR3

lipase H2COH HCOH + H2COH

R1COOH

R2COOH

R3COOH

Ở động vật thủy phân glycerid xảy nhanh chóng nhờ tác động muối acid mật làm nhũ tương hóa glycerid nên dễ bị thủy phân

10.1.2 Sự oxi hóa acid béo

Acid béo bị phân giải nhiều đường: - α oxi hóa

- β oxi hóa - ω oxi hóa

Trong đường phổ biến quan trọng β.oxi hóa 10.1.2.1 β.oxi hóa acid béo

Sự phân giải acid béo cách cắt dần cặp C, tức vị trí Cα chuỗi carbon Các acid béo có mạch carbon chẵn acid béo có mạch carbon lẻ có chế β.oxi hóa khác giai đoạn cuối Acid béo no acid béo khơng no có khác giai đoạn sau

* Đối với acid béo no có mạch C chẵn:

R.CH2 – CH2 – CH2 – CO ∼ SCoA (Acyl-CoA) FAD

FADH2

R-CH2 – CH = CH – CO ∼ SCoA (Enoyl-CoA) H2O

3

R-CH2 – CHOH – CH2 – CO ∼ SCoA (β-Hydroxy-acyl-CoA)

NAD

NADH2

R-CH2 – CO – CH2 – CO ∼ SCoA (β-Ceto-acyl-CoA)

CH3CO ∼ SCoA (Acetyl-CoA)

CoASH

R - CH3-CO ∼ SCoA (Acyl-CoA)

R - CH2 – CH2 – CH2 – COOH ∼ A (Acid béo) CoA-SH ATP

AMP +(P-P)

Các enzyme tham gia xúc tác phản ứng là: Acyl-CoA-Synthetase

2 Acyl-CoA-Dehydrogenase Enoyl-CoA-Hydratase Hydroxy-acyl-Thiolase

Qua chu kỳ phân cắt, phân tử acid béo ngắn bớt carbon, kết cuối chu kỳ phân cắt β.oxi hóa acid béo phân tử acetyl-CoA Nếu phân tử acid béo có n nguyên tử C tạo n/2 phân tử acetyl-CoA Các phân tử acetyl-CoA tiếp tục bị phân giải qua chu trình Krebs để tạo CO2 H2O

Về mặt lượng, q trình β.oxi hóa tạo nên nguồn lượng lớn cung cấp cho họat động sống tế bào

Mỗi lần phân cắt bớt 2C tạo nên NADH2, 1FADH2, qua chuỗi hô hấp tổng hợp ATP Đồng thời phân tử Acetyl-CoA bị phân giải thơng qua chu trình Krebs tạo 12ATP Từ người ta tính tổng số ATP tạo phân giải phân tử acid béo no, mạch cacbon chẵn có n nguyên tử C là:

ATP 12 1

5 ⎥+⎢⎣⎡ ⎥⎦⎤ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝

⎛ −n n

* Đối với acid béo no có mạch C lẻ

CH2OH – CH2 –CO∼SCoA H2O

CH2OH – CH2 – COOH NAD

NADH2 CHO – CH2 –COOH CoASH

CO2

CH3 – CH2 – CO ∼SCoA FAD

FADH2 CH2 = CH – CO∼SCoA

CoA-SH

NAD

NADH2

CH3CO ∼SCoA

Với acid béo khơng no, q trình phân giải xảy tùy vị trí nối đơi - Nếu vị trí nối đơi vào vị trí β q trình xảy giống acid béo no không xảy phản ứng

- Nếu vị trí nối đơi vị trí khác trước phân giải, acid béo không no bị khử để thành acid béo no tương ứng tiếp tục phân giải theo đường β.oxi hóa

FADH2 FAD

Acid béo không no Acid béo no

10.1.2.2 α.oxi hóa

Phương thức α.oxi hóa phân giải acid béo xảy vị trí Cα, lần phân giải mạch C bị cắt ngắn nguyên tử C tạo CO2

H2O2

CO2

NAD

NADH2 R – CH2 – CH2 - COOH

2

3

R – CH2 – CHO

3

R – CH2 – COOH

10.1.3 Phân giải glycerin

Sau giải phóng khỏi lipid đơn giản, glycerin tiếp tục biến đổi nhiều cách để tạo nên sản phẩm khác

Từ ALPG biến đổi thành pyruvic acid q trình đường phân, sau pyruvic acid bị phân giải tiếp thơng qua chu trình Krebs để tạo CO2 H2O

Như phân giải glycerin xảy qua trình đường phân qua chu trình Krebs để tạo sản phẩm cuối CO2 H2O Năng lượng giải phóng trình phân giải dùng để tổng hợp ATP cung cấp cho họat động sống tế bào

10.1.4 Phân giải glycero phospho lipide

Các glycero phospholipide bị phân giải qua nhiều giai đoạn tạo nhiều sản phẩm trung gian tham gia vào nhiều trình trao đổi chất Quá trình phân giải nhiều enzyme thủy phân xúc tác

- Phospholipase A1 thuỷ phân liên kết glycerin acid béo thứ

- Phospholipase A2 thủy phân liên kết glycerin acid béo thứ hai

- Phospholipasse B thủy phân hai loại liên kết

- Phospholipase C thủy phân liên kết glycerin H3PO4 - Phospholipase D thủy phân liên kết H3PO4 với choline, ethanolamine hay serine

Phối hợp tác dụng tất loại enzyme nói trên, phân tử glycero phospholipid bị phân giải thành glycerin, acid béo, H3PO4 choline (hay ethanolamine, serine)

CHO CHOH CH2OP

Aldehyde phospho glycerol (ALPG) CH2OH

CHOH CH2O P

Glycerol-P CH2OH

CHOH CH2OH

Glycerin

NAD NADH2

O – CH2 O – CH

H2 C O

C

O P OH

D

CH2 – CH2 N – (CH3)3 R1CO

R2CO

A1

A2

10.2 Tổng hợp lipid

10.2.1 Tổng hợp acid béo

Acid béo tổng hợp từ acetyl-CoA Sự tổng hợp acid béo no không no giai đoạn đầu giống Trước hết acid béo no tổng hợp sau hình thành acid béo khơng no cách oxi hóa acid béo tương ứng

Quá trình tổng hợp acid béo từ acetyl-CoA xảy ngược với q trình β.oxi hóa Từ acetyl-CoA nối dần lại với thành chuỗi trung bình dẫn đến việc tạo thành Stearic acid (có 18C) loại acid béo no chủ yếu mơ Từ Stearic acid tiếp tục kéo dài thêm chuỗi carbon tạo nên acid béo có mạch C dài

Trước hết từ acetyl-CoA CO2 kết hợp với để tạo nên malonyl-CoA Quá trình xúc tác acetyl-CoA-carboxylase

Để tiến hành phản ứng ngưng tụ acetyl-CoA với malonyl-CoA cần có tham gia loại protein có vai trị vận chuyển nhóm acyl, protein vận chuyển gốc acyl-ACP

CH3COCoA

Acetyl-CoA

COOH – CH2 – CO SCoA Malonyl - CoA

H2O

CO2 ATP ADP

COOH – CH2 – CO ~ SACP Malonyl - ACP

ACPSH CoASH COOH – CH2 – CO ~ SCoA

Tiếp theo acetyl-SACP malonyl-SACP ngưng tụ với với xúc tác enzyme acyl-synthetase Khi phân tử acetyl-ACP malonyl-ACP tác dụng với enzyme acyl-synthetase xảy chuyển gốc acetyl malonyl từ nhóm SH ACP sang nhóm SH enzyme đồng thời CO2 giải phóng

CH3CO CH2 – CO ~ SACP + CO2 + ACP - SH

COOH – CH2 – CO ~ SACP + COOH – CO ~ SACP

Từ CH3COCH2CO ~ SACP (aceto acetyl-ACP) bị khử thành β.hydroxy-butyryl-ACP

CH3CHOHCH2CO ~ SACP β.hydroxy butyryl - ACP

NADH2 NAD

CH3CO CH2 CO ~ SACP

Phản ứng β.hydroxy butyryl-ACP bị khử nước để tạo nên crotonyl-ACP

CH

3CH = CHCO ~ SACP (Crotonyl-ACP)

CH3CHOHCH2CO ~ SACP

Crotonyl-ACP bị khử tạo nên butyryl-ACP

NADH2 NAD

CH3CH = CHCO ~ SACP CH3CH2CH2CO ~ SACP Butyryl-ACP

Như acid béo có mạch cacbon chẵn với n nguyên tử C trình diễn ⎟

⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −1

2 n

chu kỳ

Nếu acid béo có mạch C lẻ lần nối dài mạch C nói trên, lần khơng phải phản ứng xảy từ Acetyl CoA mà xảy từ Acetyl-CoA propionyl-CoA để tạo acyl-CoA có nguyên tử C Từ chu kỳ lại nối thêm phân tử Acetyl-CoA làm cho phân tử acid béo dài thêm nguyên tử cacbon để cuối tạo nên phân tử acid béo có số nguyên tử cacbon lẻ

Các acid béo không no tạo từ acid béo no tương ứng cách bị oxy hóa bới FAD

Acid béo không no

FAD FADH2 Acid béo no

10.2.2 Tổng hợp glycerin

Glycerin tổng hợp nhiều đường Con đường phổ biến từ sản phẩm trung gian trình trao đổi glucose AlPG PDA biến đổi thành

Glycero-P

NADH2 NAD AlPG

Glycerin + H3PO4

Glycero-P

NADH2 NAD PDA

Glycerin + H3PO4

10.2.3 Tổng hợp glyceride

Glycerin Glycero-P

ATP ADP

Phosphatidic acid + 2CoA-SH

R2-CO-SCoA

R1-CO-SCoA

Diglyceride Photphatidic

acid Triglyceride R3-CO-SCoA

H3PO4

10.2.4 Tổng hợp glycero phospholipid

Photphatic acid

Serine

CDP-diacyl-glyceride

Phosphatidyl serine

Phosphatidyl -ethanolamine

Phosphatidyl - choline

Glycero - P

Phosphatidyl inosid

Phosphatidyl Glycero-P

Phosphatidyl Glycerin CTP

CO2

3CH3

H3PO4

10.2.5 Tổng hợp sterid

Sterid tạo nên sterol acid béo Nguyên liệu để tổng hợp sterol acetyl-CoA Quá trình sinh tổng hợp sterol chia làm giai đoạn với nhiều phản ứng phức tạp

- Giai đoạn chuyển acetyl-CoA thành mevalonic acid - Giai đoạn tổng hợp squalen

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tài liệu tiếng Việt

1 Trần Thị Ân (chủ biên) 1979 Hóa sinh đại cương (tập I, II) NxB KH&KT Hà Nội

2 Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng 2000 Hóa sinh học Nxb Giáo dục Hà Nội

3 Nguyễn Bá Lộc 1997 Hóa sinh Nxb Giáo dục Hà Nội

Tài liệu dịch

1 Musil J.G., Kurz K., Novakava O 1982

Sinh hóa học đại theo sơ đồ Nxb Y học Hà Nội

Tài liệu tiếng nước

Chương 11

Trao đổi Protein

11.1 Sự phân giải protein amino acid

11.1.1 Phân giải protein

Thủy phân đường phân giải protein phổ biến thực vật động vật Quá trình thủy phân protein xảy lysosome, nơi chứa nhiều enzyme thủy phân protein protease Quá trình thủy phân xảy qua giai đoạn

- Nhờ peptid-peptido hydrolase, protein bị thủy phân thành đoạn peptid ngắn

- Nhờ peptid-hydrolase thủy phân tiếp peptid thành amino acid Kết chung

n.amino acid

+(n-1)H2O Protein

protease

Ở động vật có vú, phân giải protein tác động pepsin Tế bào niêm mạc dày tiết pepsinogen Nhờ pepsin HCl dịch dày, pepsinogen biến đổi thành pepsin họat động pepsin họat động thủy phân protein thành amino acid

11.1.2 Phân giải amino acid

Có nhiều đường phân giải amino acid 11.1.2.1 Khử amine

Bằng nhiều đường khác nhau, amino acid bị khử nhóm amine tạo sản phẩm tương ứng

- Khử amin enzyme khử Nhờ enzyme khử xúc tác, amino acid bị khử thành acid tương ứng giải phóng NH3

- Khử amin đường oxi hóa

R – CH2 – COOH + NH3 R – CH – COOH

Nhờ amino acid oxydase, amino acid bị oxi hóa để tạo ceto acid tương ứng NH3

R – CO – COOH + NH3 R – CH – COOH

+ O2 NH2

oxydase

- Khử amine đường thủy phân

Nhờ tác dụng enzyme thủy phân hydrolase, amino acid bị thủy phân tạo oxiacid tương ứng NH3

R CHOHCOOH + NH3

R – CH – COOH + H2O

NH2

hydrolase

Ngoài đường ra, aspartic acid cịn bị khử amin đường khử nội phấn tử nhờ enzyme dezaminase xúc tác

COOH CH = CH - COOH + NH3

COOH – CH2 – CH – COOH

NH2

Dezaminase

Sản phẩm đường khử amine amino acid loại acid tương ứng NH3

11.1.2.2 Khử carboxyl

Sự loại carboxyl amino acid cách phân giải amino acid phổ biến nhờ decarboxylase xúc tác

R – CH2 NH2 + CO2 R – CH – COOH

NH2

Decarboxylase

Sản phẩm tạo amine, chất có họat tính sinh học cao có vai trị q trình trao đổi chất, hoạt động sinh lý thể histamine

11.1.2.3 Chuyển vị amine

R1 – CH – COOH

+ NH2

R2 – C – COOH

O

Amino -

Transferase

R1 – C – COOH

+ O

R2 – CH – COOH

NH2

Phản ứng thực chức năng: vừa phân giải amino acid thành ceto acid, đồng thời tổng hợp amino acid khác từ ceto acid tương ứng

Trừ threonine lysine, tất amino acid lại tham gia vận chuyển nhóm amine để biến đổi thành ceto acid tương ứng, ví dụ:

CH3 – CH – COOH

NH2

+ COOH – CH2 – CO – COOH

CH3 – CO – COOH + COOH– CH3 – CH – COOH

NH2

11.1.2.4 Sự biến đổi sản phẩm trình phân giải amino acid Các đường hướng phân giải amino acid trình bày tạo nhiều loại sản phẩm Các sản phẩm tiếp tục biến đổi để tạo sản phẩm cuối

- Các chất hữu tiếp tục biến đổi cách oxy hóa q trình phân giải acid béo để tạo acetyl-CoA, từ tham gia vào chu trình Krebs để phân giải tiếp

- Các amine biến đổi thành acid tương ứng sau tiếp tục biến đổi acid khác

-

NH3 tiếp tục biến đổi nhiều đường để giải độc cho thể NH3 tích lũy nhiều gây độc

R – CH= NH + H2O R – CH2 – NH2 + O2

R CHO + NH3 R – CH = NH + H2O

R COOH R CHO + O2

+ NH3 bị biến đổi thành ure qua chu trình ornithine để thải ngồi qua đường nước tiểu động vật Chu trình ornithine chia làm giai đoạn

1) Tổng hợp carbamyl-phosphate

NH2

O = C + ADP O ~ P

CO2 + NH3 + ATP

Phản ứng xúc tác enzyme carbamyl phosphate synthetase 2) Tổng hợp arginine

Từ carbanyl-phosphate ornithine tạo thành citrullin phản ứng ngưng tụ Sau citrullin kết hợp với aspactic acid nhờ arginino-succinic-synthetase để tạo arginino-succinic acid Tiếp theo arginino-succinic acid bị phân giải thành arginine fumaric acid nhờ arginino-succinate-ligase

3) Arginine bị phân giải nhờ arginase để tạo ornithine ure Ure thải ngồi cịn ornithine tiếp tục tham gia vào chu trình

Trên đường hướng chung phân giải amino acid Tuy nhiên amino acid có đường phân giải riêng Các amino acid biến đổi theo đường hướng dẫn đến việc tạo nên sản phẩm tham gia vào chu trình Krebs để phân giải thành CO2 H2O

11.2 Tổng hợp amino acid

11.2.1 Amine hóa

Một số acid béo khơng no ceto acid amine hóa để tạo nên amino acid tương ứng

Fumaric acid

α-cetoglutaric acid

oxaloacetic acid

COOH – CH = CH – COOH + NH3

COOH – CH – CH2 – COOH

NH2

aspartic acid

COOH – CH2 – CH2 – CO– COOH + NH3

COOH – CH2 – CO– COOH + NH3

COOH – CH2 – CH2 – CH – COOH

NH2 glutamic acid

COOH – CH2 – CH – COOH

NH2

Về nguyên tắc, amino acid tổng hợp đường từ acid tương ứng Nhưng tế bào có enzyme glutamate dehydrogenase pyruvate dehydrogenase có hoạt độ mạnh để thực xúc tác loại phản ứng trên, cịn enzyme khác khơng có khả xúc tác thực tế có glutamic acid alanin amino acid tổng hợp đường

11.2.2 Amide hóa

Từ loại amino acid aspactic acid glutamic acid có nhóm carboxyl nên amide hóa để tạo amino acid mới, dạng amide aspactic acid glutamic acid asparagine glutamine

Aspartic acid

COOH – CH2 – CH – COOH

+ NH3

NH2

O = C – CH2 – CH – COOH

NH2 NH2

Asparagine

Glutamic acid

COOH – CH2 – CH2 – CH – COOH

+ NH3

NH2

O = C – CH2 – CH2 – CH – COOH

NH2 NH2

Glutamine

11.2.3 Tổng hợp amino acid nhờ ATP

Quá trình tổng hợp amino acid nhờ ATP xảy qua giai đoạn - NH3 + ATP → AMP ~ NH2 + P - P

Đây phản ứng họat hóa nhóm NH2 nhờ ATP AMP ~ NH2 thực phản ứng chuyển vị amine cho ceto acid để tạo amino acid tương ứng

AMP ~ NH2 + R – C –COOH O

AMP + R – CH – COOH NH2

11.2.4 Chuyển vị amine

Như trình bày (Mục 11.1.2.3) amino acid bị phân giải đường chuyển vị amine đồng thời với việc tổng hợp amino acid khác

Nhờ trình mà thành phần amino acid đổi phù hợp với nhu cầu thể trình sống

11.2.5 Oxim hóa

Ở số vi sinh vật thực vật có khả cố định Nitơ tự – trình cố định đạm Qua trình cố định N2, NH2OH hình thành làm nguyên liệu cho trình tổng hợp amino acid theo cách oxim hóa

Ngồi số vi sinh vật thực vật cịn có q trình khử nitrat (NO3-) thành ammoniac (NH3) Trong trình biến đổi theo đường hướng NH2OH tạo thành trước tạo NH3 NH2OH làm nguyên liệu để tổng hợp amino acid cách oxim hóa

Q trình oxim hóa xảy qua giai đoạn

- Các ceto acid kết hợp với NH2OH tạo nên oxim tương ứng Oximase

R – C – COOH

+ NH2OH O

Ceto acid

R – C – COOH

+ H2O NOH

Oxim

- Các oxim bị khử để tạo amino acid tương ứng

R – C – COOH NOH

NADH+H+ NAD+ Oxim dehydrogenase

R – CH – COOH

+ H2O NH2

Ở vi sinh vật thực vật, đường tổng hợp amino acid quan trọng

11.3 Tổng hợp protein

11.3.1 Các thành phần tham gia tổng hợp protein

11.3.1.1 Nucleic acid

Tham gia vào q trình tổng hợp protein có loại nucleic acid với chức khác

- DNA: mang thông tin cấu trúc phân tử protein theo dạng mã hóa Mỗi protein mã hóa đoạn DNA, gen

- RNAm: làm nhiệm vụ truyền thông tin cấu trúc phân tử protein từ gen sang chuỗi polypeptide

- RNAt: làm nhiệm vụ vận chuyển amino acid từ vùng tế bào đến ribosome để tiến hành tổng hợp chuỗi polypeptide Đồng thời nhận biết vị trí ba mã hóa amino acid RNAm để đặt amino acid vào vị trí chuỗi polypeptide

- RNAr: với protein, RNAr cấu tạo nên ribosome, nơi thực trình tổng hợp chuỗi polypeptide

11.3.1.2 Các enzyme

Tham gia xúc tác q trình tổng hợp protein, có nhiều loại enzyme - Aminoacyl-adenilat-synthetase enzyme xúc tác q trình họat hóa amino acid, phản ứng gắn amino acid vào RNAt

- Transpeptidase: xúc tác phản ứng tạo liên kết peptide để nối amino acid lại thành chuỗi polypeptide chuyển dịch chuỗi polypeptide ribosome từ vị trí P sang vị trí A

- Translocase: enzyme xúc tác q trình di chuyển ribosome RNAm

Ngồi enzyme cịn có enzyme cắt amino acid mở đầu khỏi chuỗi polypeptide, enzyme xúc tác tạo cấu trúc không gian protein …

11.3.1.3 Năng lượng

Quá trình tổng hợp protein cần lượng Năng lượng cung cấp cho trình ATP GTP

- ATP cung cấp lượng cho giai đoạn họat hóa amino acid - GTP cung cấp lượng cho giai đoạn tổng hợp chuỗi polypeptide ribosome

11.3.1.4 Nguyên liệu

Nguyên liệu để tổng hợp protein amino acid

11.3.1.5 Ribosome

Ribosome nơi tiến hành tổng hợp chuỗi polypeptide Thành phần ribosome gồm protein RNAr Cấu trúc ribosome gồm tiểu thể: tiểu thể lớn tiểu thể bé Trong ribosome có vùng họat động: vùng A nơi tiếp nhận amino acid vùng P nơi tạo nên chuỗi polypeptide Ở tiểu thể bé chứa loại RNAr, phân tử RNAr có đoạn có thành phần nucleotide tương ứng bổ sung với đoạn khơng mã hóa RNAm Nhờ bắt đầu trình tổng hợp, RNAm đến gắn vào ribosome đặt ba mở đầu vào vị trí P nhờ liên kết đoạn khơng mã hóa RNAm với đoạn bổ sung RNAr

11.3.1.6 Các yếu tố tham gia tổng hợp protein

* Yếu tố mở đầu Đó phân tử protein với chức tham gia vào việc kích thích mở đầu q trình tổng hợp chuỗi poplypeptide

Ở Procariote Ở Eucariote

Yếu tố Chức Yếu tố Chức IF-1 Kích thích họat động

IF2, IF3

eIF-1 Gắn với RNAm

IF-2 Làm dễ dàng trình kết hợp f.Met-RNAt với tiểu

thể bé 30S

eIF-2 Làm dễ dàng kết hợp Met-RNAt với tiểu thể

bé 40S IF-3 Gắn với tiểu thể bé 30S,

ngăn không để kết hợp với tiểu thể lớn 50S

eIF-3 Kết hợp với tiểu thể bé 40S

CBP-1 Kết hợp với mũ RNAm

eIF-4a Kết hợp với RNAm

eIF-5 Tách rời yếu tố khởi đầu khỏi 40S kết hợp với 60S

eIF-6 Tách ribosome 80S thành tiểu thể

* Yếu tố kéo dài

- EF-Tu giúp cho RNAtAa đến gắn vào vị trí A ribosome - EF-Ts giúp giải phóng GDP khỏi phức EF-Tu-GDP

- EF-G xúc tác di chuyển ribosome RNAm theo chiều 5’-3’

11.3.2 Tổng hợp chuỗi polypeptide ribosome

11.3.2.1 Giai đoạn họat hóa amino acid

Để tham gia vào trình tổng hợp protein amino acid phải họat hóa gắn vào RNAt Q trình xảy hai phản ứng, xúc tác enzyme aminoacyl-adenylat-synthetase

[AMP ~ amino acid] E + P-P

Trong phản ứng thứ amino acid kết hợp với ATP tạo amino acid-AMP giải phóng pyrophosphat (P-P) Aminoacid-AMP khơng trạng thái tự mà gắn với enzyme tạo phức linh động

Amino acid + ATP [AMP ~ Amino acid] E + P-P RNAt mang amino acid di chuyển đến ribosome để thực trình tổng hợp chuỗi polypeptide

Enzyme

11.3.2.2 Giai đoạn mở đầu

Tham gia vào giai đoạn mở đầu có yếu tố mở đầu Ở procariote yếu tố mở đầu IF-1, IF-2, IF-3, Eucariote yếu tố mở đầu eIF-1, eIF-2, eIF-3 Năng lượng cung cấp cho giai đoạn mở đầu GTP Đặc biệt để thực giai đoạn tổng hợp nên amino acid mở đầu cần có RNAt mang amino acid mở đầu

Ở procariote amino acid mở đầu loại methionine bị biến đổi thành dạng formyl methionine

Formyl hóa

H2N – CH –COOH

(CH2)2

S CH3

Methionine

CHO – NH – CH – COOH

(CH2)2

S CH3

Formyl Methionine

AUG RNAm Như vậy, RNAt mang formyl methionine vào để mở đầu trình tổng hợp chuỗi polypeptide, việc vận chuyển methionine để đưa vào thành phần chuỗi polypeptide xảy RNAm có ba mã hóa methionine AUG

Ở Eucariote amino acid mở đầu methionine nên RNAt vận chuyển methionine vừa làm nhiệm vụ mở đầu giải mã cho ba mở đầu AUG, vừa làm nhiệm vụ đưa methionine vào tham gia thành phần chuỗi polypeptide giải mã cho ba AUG nằm vị trí khác vị trí mở đầu

Giai đoạn mở đầu thực tách ribosome thành tiểu đơn vị (ở procariote 50S 30S, Eucariote tương ứng 60S 40S) Tiếp theo tiểu đơn vị bé liên kết với yếu tố mở đầu IF3 tạo phức I (IF3 -30S) Đồng thời RNAt mang amino acid mở đầu (f.Met hay Met) gắn với GTP, yếu tố mở đầu IF2 tạo phức thứ II (RNAtGTP-IF2) Tiếp theo phức I phức II kết hợp lại với đồng thời RNAm đến gắn vào tiểu thể bé tổ hợp Đoạn khơng mã hóa RNAm gắn bổ sung với đoạn RNAr tiểu thể bé nhờ đặt ba mở đầu RNAm vào vị trí P tiểu thể lớn tiểu thể bé đến gắn vào phức Cuối tổ hợp (30S-IF3-RNAt-GTP-IF2-RNAm) gắn vào tiểu thể lớn, khơi phục lại ribosome giải phóng yếu tố mở đầu, GDP H3PO4

Ribosome 80S không hoạt động

RNAm

Sơ đồ giai đoạn mở đầu chuỗi polypeptide Eucariota 11.3.2.3 Giai đoạn kéo dài chuỗi polypeptide

Sau phức mở đầu tạo nên, trình tổng hợp chuỗi polypeptide bắt đầu tiến hành Tham gia giai đoạn kéo dài chuỗi có yếu tố kéo dài (EF procariote, eEF Eucariote) GTP cung cấp lượng, enzyme, amino acid-RNAt phức hệ mở đầu

Quá trình kéo dài chuỗi polypeptide xảy theo trật tự ba RNAm kể từ sau ba mở đầu, theo chiều 5’-3’ Ứng với ba RNAt tương ứng mang amino acid phức hợp aminoacid-RNAt đến gắn vị trí cách nhận biết ba mã hóa RNAm với ba đối mã RNAt theo nguyên lý bổ sung Bằng cách đặt vị trí amino acid chuỗi polypeptide

Mở đầu giai đoạn kéo dài chuỗi, amino acid-RNAt mang amino acid đến gắn vào vị trí A ribosome bỏ trống nhờ tạo liên kết bổ sung ba mã hóa RNAm với ba đối mã RNAt

tiếp theo nhờ locaferase xúc tác ribosome trượt RNAm theo chiều 5’-3’ đoạn nucleotide Kết tổ hợp RNAt mang amino acid chuyển sang vị trí P cịn vị trí A ribosome lại bỏ trống phức hệ mở đầu kết thúc việc nối dài thêm amino acid vào chuỗi polypeptide

Các amino acid vào nối dài chuỗi tiến hành qua bước với amino acid thứ Thứ tự ba RNAm quy định trình tự amino acid tương ứng vào tham gia trình nối dài chuỗi polypeptide Như trật tự ba RNAm định trật tự amino acid chuỗi polypeptide

RNAtAla + GTP+ EF

Trans peptidase

RNAt mở đầu Trans locase

Sơ đồ giai đoạn kéo dài chuỗi 11.3.2.4 Giai đoạn kết thúc tổng hợp chuỗi polypeptide

được kết thúc ba khơng mã hóa amino acid nên q trình kéo dài chuỗi bị ngắt quãng, chuỗi polypeptide tổng hợp bị tách khỏi RNAt cuối mà khơng có RNAt tiếp để gắn vào nên giải phóng khỏi ribosome kết thúc trình tổng hợp Tham gia vào q trình kết thúc có yếu tố giải phóng RF làm nhiệm vụ nhận biết mã kết thúc giải phóng chuỗi polypeptide khỏi ribosome

11.3.3 Hồn thiện phân tử protein

Chuỗi polypeptide tổng hợp ribosome phải qua nhiều biến đổi trở thành phân tử protein hoàn thiện Trước hết methionine đầu chuỗi bị cắt bỏ nhờ peptidase xúc tác Sau từ nhóm chức amino acid chuỗi hình thành liên kết nội phân tử tạo nên protein có mức cấu trúc khác Trước hết từ chuỗi polypeptide liên kết hydro hình thành từ nhóm CO NH amino acid để tạo nên cấu trúc bậc II protein Từ protein bậc II liên kết disulfua, liên kết ion, liên kết kỵ nước tạo làm cho phân tử protein có cấu trúc bậc II cuộn xoắn để tạo nên phân tử protein bậc III Từ số phân tử protein bậc III chức liên kết với liên kết hydrogen, tương tác Van der Waals để tạo nên protein có cấu trúc bậc IV

Các phân tử protein hoàn thiện đưa đến nơi sử dụng để thực chức chúng tế bào

11.3.4 Điều hịa tổng hợp protein

Q trình tổng hợp protein xảy tế bào điều hòa phù hợp với nhu cầu thể Khi thể cần loại protein q trình điều hịa tự điều chỉnh cho q trình tổng hợp protein xảy ra, ngược lại không cần loại protein q trình tổng hợp protein bị ức chế

Cơng trình có giá trị chế điều hòa tổng hợp protein J.Monod Jacob (1956) đề xuất Các tác giả đưa thuyết Operon để giải thích chế điều hòa tổng hợp protein Theo thuyết operon phân tử DNA chứa nhiều loại gen:

- Gen cấu trúc-cistron,structural gene (S): gen mã hóa phân tử protein Mỗi operon có nhiều gen cấu trúc mã hóa cho nhóm protein có chức liên quan enzyme xúc tác chuỗi phản ứng

- Gen tác động operator (O) - Gen khởi động promotor (P)

Trật tự gen operon sau

R P O S1 S2 S3 S4

Mỗi operon chịu trách nhiệm điều hịa tổng hợp nhóm protein-enzyme tham gia xúc tác chuỗi phản ứng, protein-enzyme gen cấu trúc mã hóa

Có nhiều hình thức điều hịa tổng hợp protein theo operon điều hịa âm tính, điều hịa dương tính Trong loại lại có nhiều hình thức khác điều hòa cách cảm ứng, điều hòa cách ức chế

11.3.4.1 Điều hịa âm tính

Điều hịa âm tính chế điều hịa mà khơng có phức hệ ức chế bám vào operon operon mở tổng hợp protein xảy Có hình thức điều hịa theo dạng điều hịa cảm ứng âm tính điều hịa ức chế âm tính

* Điều hịa cảm ứng âm tính Điển hình dạng điều hịa hoạt động điều hòa operon lac Bản chất dạng điều hòa mơi trường có chất cảm ứng operon mở , trình tổng hợp protein xảy Chất cảm ứng chất enzyme operon kiểm sốt, lactose Khi mơi trường có lactose operon mở q trình tổng hợp nên enzyme tham gia phân giải lactose xảy Ngược lại môi trường lactose operon đóng q trình tổng hợp protein khơng xảy Cơ chế q trình điều hịa xảy sau: operon lac có gen khởi động, gen tác động gen cấu trúc Z.Y.A

- Gen Z: mã hóa enzyme β.galactosidase - Gen Y: mã hóa enzyme permease - Gen A: mã hóa enzyme transacetylase

Ba enzyme tham gia q trình phân giải lactose

Gen điều hịa tổng hợp protein ức chế Chất ức chế trạng thái tự có lực với operon bám vào operon làm cho operon bị đóng Cịn có chất cảm ứng chất cảm ứng có lực với chất ức chế mạnh operon nên liên kết với chất ức chế tạo phức không họat động Phức không bám vào operon nên operon mở

polymerase xúc tác cho trình mã gen cấu trúc thành RNAm, từ RNAm tổng hợp loại enzyme Ba enzyme xúc tác cho q trình phân giải lactose

Khi lactose bị phân giải hết, khơng cịn chất cảm ứng để liên kết với chất ức chế nên chất ức chế bám vào operon, ức chế hoạt động RNA – polymerase, RNA – polymerase khơng họat động mã nên q trình tổng hợp protein không xảy

RNAm RNAm

* Điều hịa ức chế âm tính Điển hình dạng điều hòa họat động điều hòa operon Tryp Bản chất dạng điều hòa mơi trường có chất đồng ức chế operon đóng, q trình tổng hợp protein khơng xảy Cịn khơng có chất đồng ức chế operon mở, trình tổng hợp protein xảy Chất đồng ức chế sản phẩm enzyme operon kiểm sốt, Tryptophan Khi mơi trường khơng có Tryptophan, operon mở, q trình tổng hợp enzyme tham gia tổng hợp Tryptophan xảy Ngược lại, mơi trường có Tryptophan, operon đóng, q trình tổng hợp enzyme khơng xảy Cơ chế điều hịa xảy sau

Operon Tryp có gen cấu trúc mã hóa cho enzyme tham gia trình tổng hợp Triptophan tế bào: Tryp E, Tryp D, Tryp C, Tryp B Tryp A

mã nên RNAm cho q trình tổng hợp protein, tổng hợp protein-enzyme không xảy

Khi tế bào khơng có Triptophan, chất ức chế gen điều hịa tổng hợp khơng có lực với operon nên không bám vào operon, RNA-polymerase không bị ức chế nên xúc tác cho trình mã từ gen cấu trúc tạo RNAm tương ứng Từ RNAm tiến hành trình tổng hợp protein để tạo nên protein-enzyme

RNAm RNAm

11.3.4.2 Điều hòa dương tính

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tài liệu tiếng Việt

1 Trần Thị Ân (chủ biên) 1979 Hóa sinh đại cương (tập I, II) NxB KH&KT Hà Nội

2 Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng 2000 Hóa sinh học Nxb Giáo dục Hà Nội

3 Nguyễn Bá Lộc 1997 Hóa sinh Nxb Giáo dục Hà Nội

Tài liệu dịch

1 Musil J.G., Kurz K., Novakava O 1982

Sinh hóa học đại theo sơ đồ Nxb Y học Hà Nội

Tài liệu tiếng nước

Chương 12

Trao đổi nucleic acid

12.1 Sự phân giải nucleic acid

12.1.1 Thủy phân nucleic acid

Sự thủy phân nucleic acid thành mononucleotide xúc tác enzmie thủy phân tương ứng

DNA nhờ desoxyribonuclease xúc tác biến đổi thành desoxyribonucleotide RNA ribonuclease xúc tác bị phân giải thành ribonucleotide

12.1.2 Phân giải mononucleotide

Mononucleotide bị phân giải tác dụng phosphatase nucleotidase tạo nên nucleoside H3PO4 Các nucleoside lại tiếp tục bị thủy phân nucleosidase để tạo base nitơ pentose

Các sản phẩm trình phân giải tiếp tục biến đổi

- H3PO4 tham gia vào trình trao đổi saccharide hay trình trao đổi chất khác

- Base Nitơ tiếp tục bị phân giải tạo sản phẩm tham gia vào trình trao đổi chất tế bào

12.1.3 Phân giải base purine

Adenine guanine biến đổi thành xanthine, từ xanthine qua số phản ứng để tạo sản phẩm cuối ure glyoxylic acid

Adenine Xanthin Guanine

(1) (2)

Allantoic acid

Ure +glyoxylic acid

(3)

(4)

12.1.4 Phân giải base pyrimidine

Các base pyrimidine bị phân giải tạo nên sản phẩm cuối NH3, CO2, β.amino isobutyric acid alanine

Uracil H2O NH3

Cytosine Dihydro Uracil

NADPH2 NADP H2O + alanine

CO2 + NH3

Thymine Dihydro Thymine NADPH2 NADP H2O

NH3+CO2+ β.aminoisobutyric acid

CO2, NH3 tạo q trình biến đổi thải ngồi, cịn alanine β.aminoisobutyric acid tiếp tục biến đổi amino acid khác

12.2 Sinh tổng hợp nucleotide purine

Gốc purine tạo từ nhiều thành phần khác nhau: CO2, aspartic acid, glycine, formate, glutamine

aspartic acid formate

glycine formate

CO2

N

N

N - H

glutamine

N

Trong trình tổng hợp khung purine xảy đồng thời trình tổng hợp nucleotide Tóm tắt kết q trình sau:

Riboso5P + 2.glutamine + glycine + CO2 + formate + aspactic acid + H2O → inosinic acid

Từ inosinic acid tạo nên GMP AMP

Ngoài ra, nucleotide purine cịn tổng hợp trực tiếp từ base purine phosphoriboso-pyrophosphate (PRPP)

Adenine + PRPP → AMP + P-P Guanine + PRPP → GMP + P-P

12.3 Sinh tổng hợp nucleotide pyrimidine

Khung pyrimidine tạo từ NH3, CO2 aspartic acid

Quá trình tổng hợp nucleotide pyrimidine xảy qua giai đoạn sau:

NH3

CO2

Asparic acid

N

N

CO2 + NH3 + ATP → carbamyl-P Carbamyl-P + Aspactic acid → Orotic acid

Orotic acid + Riboso5P → UMP → CMP → TMP

Các nucleotide pyrimidine tổng hợp trực tiếp từ base nitơ pyrimidine với PRPP

Uracil + PRPP → UMP + P-P Thymine + PRPP → TMP + P-P Cytosine + PRPP → CMP + P-P

12.4 Tổng hợp DNA

Q trình tổng hợp DNA, hay cịn gọi tái bản, có ý nghĩa quan trọng đời sống thể liên quan đến chế di truyền Đây q trình phức tạp có tham gia nhiều yếu tố xảy nhiều hình thức

Có thể chia q trình tái DNA thành kiểu

- Tái gián đoạn Là trình tổng hợp DNA từ phân tử DNA gốc tạo phân tử DNA có đoạn tổng hợp đoạn cũ DNA gốc xen kẽ

Hai hình thức tái phổ biến

- Tái bán bảo thủ Đây hình thức tổng hợp DNA từ phân tử DNA gốc tạo phân tử DNA con, phân tử DNA chuỗi lấy từ DNA gốc chuỗi tổng hợp Hình thức Meselson Stahl phát năm 1958 thực nghiệm nuôi cấy E.coli Trước hết E.coli nuôi cấy môi trường chứa 15N (Nitơ nặng) nên DNA tổng hợp nên chứa 15N tạo nên phân tử DNA có tỷ trọng cao DNA thường Sau chuyển E.coli vào môi trường chứa 14N (Nitơ thường) theo dõi, phân tích hệ DNA tạo phương pháp li tâm phân đoạn với CSCl Qua kết phân tích li tâm cho thấy hệ thứ 100% phân tử DNA dạng lai, chuỗi chứa 15N chuỗi chứa 14N Ở hệ thứ có 50% dạng lai xuất 50% dạng 14N Điều chứng tỏ chế tái DNA dạng bán bảo thủ

12.4.1 Các yếu tố tham gia tái DNA

- DNA khuôn Để tổng hợp phân tử DNA cần có phân tử DNA làm khn DNA vừa làm chức khuôn vừa tham gia sản phẩm trình tổng hợp

- Nguyên liệu Để tổng hợp DNA cần có nguyên liệu Nguyên liệu desoxy Ribonucleotide Triphosphate (dATP, dGTP, dCTP, dTNP) dTMP vừa làm nguyên liệu vừa cung cấp lượng cho trình tổng hợp DNA

- Enzyme Tham gia xúc tác q trình tái DNA có nhiều loại enzyme

+ DNA-polymerase, + Topoisomerase, + Helicase, + DNA-ligase

- Protein Có nhiều loại protein tham gia vào trình tái DNA với chức hỗ trợ, kích thích …

+ Protein bám sợi đơn SBS, + Protein DnaA,