1. Peroxide vă superoxide.
Khử O2 bằng câch đưa trực tiếp văo phđn tử oxy một cặp điện tử lă một quâ
trình xảy ra rất chậm, vì O2 chứa 2 điện tử không góp chung với trạng thâi spin song song trong hai quĩ đạo riíng rẽ vă phản ứng khử đòi hỏi phải đảo ngược một spin điện tử. Khi O2 tồn tại cùng với chất hữu cơ, sự việc xảy ra hoăn toăn khâc. Sự hạn chế của spin trong việc khử O2 có thể được khắc phục bằng câch bổ sung thím câc điện tử đơn lẻ. Như vậy, khử một phđn tử O2 thănh H2O cần phải sử dụng 4 điện tử:
O2 + 4H+ + 4e- –––→ 2H2O
Phản ứng dẫn đến sự hình thănh câc sản phẩm trung gian có khả năng phản ứng cao lă câc ion superoxide (O2-), peroxide hydro (H2O2) vă gốc hydroxyl (OHi). Sự tồn tại liín tục của những chất năy sẽ gđy ra những nguy cơ nghiím trọng cho câc hệ thống sống do chúng sẽ phâ hoại câc thănh phần của tế băo. Trín thực tế,
OHi, một mutagene rất mạnh sinh ra do bức xạ ion-hóa, có khả năng phản ứng rất
mạnh vă có thể tấn công tất cả câc hợp chất hữu cơ.
Quâ trình khử O2 bằng một điện tử bao gồm một chuỗi câc phản ứng sau đđy: O2 + e- ––––→ O2- (1)
O2- + H+ ⇐⇒ HO2i (2) O2- + HO2i+ H+ –––→ H2O2 + O2 (3) O2- + Fe3+ ––––→ O2 + Fe2+ (4) H2O2+ Fe2+ ––––→ Fe3+ + OH- + OHi (5)
Ion superoxide hình thănh trong phản ứng (1) có thể được proton-hóa thănh gốc hydroperoxyl [phản ứng (2)], vì H2O2 lă một acid với pKa gần bằng 4,8. Phản ứng (3) lă phản ứng dismutase tự phât, dẫn đến hình thănh H2O2 + O2. Như vậy, tập hợp 3 phản ứng trín đđy luôn dẫn đến sự hình thănh H2O2 trong bất kỳ hệ thống năo sản sinh ra O2-. Câc phản ứng (4) vă (5) cho thấy rằng câc hợp chất chứa sắt có thể xúc tâc phản ứng giữa O2- vă H2O2 vă tạo ra OHi.
Như đê nói đến ở trín, hăng loạt enzyme sản sinh ra H2O2 vă O2-, ví dụ oxy- hóa tự phât nguyín tử sắt trong câc chất như hemoglobin, cytochrome b5, feredoxin khử vă câc chất vận chuyển điện tử hoặc câc hệ thống khử khâc. Sự đe dọa do hoạt tính phản ứng rất cao của O2- vă H2O2 được khắc phục nhờ câc enzyme có khả năng biến đổi những chất năy thănh những chất có hoạt tính thấp hơn.
2. Superoxide dismutase
Superoxide dismutase lă nhóm enzyme phđn hủy O2- bằng câch xúc tâc phản
ứng sau đđy:
O2- + O2- + 2H+ ––––→ H2O2 + O2
Dismutase được tìm thấy trong câc cơ thể hiếu khí vă không có mặt trong câc vi sinh vật kỵ khí bắt buộc.
Có 3 loại dismutase khâc nhau. Đó lă: 1/ Dismutase băo tương của tế băo eucaryote, cấu tạo bởi hai phần dưới đơn vị, mỗi phần dưới đơn vị chứa một nguyín tử Cu vă một nguyín tử Zn; 2/ Dismutase ty thể của eucaryote vă trong băo tương của vi khuẩn, chứa hai nguyín tử Mn trong mỗi phđn tử enzyme; 3/ Dismutase chứa sắt, có trật tự aminoacid rất giống với dismutase chứa aminoacid, tìm thấy trong vi khuẩn, tảo lục vă một số thực vật.
Hoạt tính xúc tâc của dismutase phụ thuộc văo hăm lượng Cu, Mn vă sắt. Trong quâ trình xúc tâc câc kim loại trải qua một vòng tròn câc phản ứng oxy hóa - khử, với n bằng 2 đối với enzyme chứa Cu-Zn vă bằng 3 đối với câc enzyme chứa sắt vă chứa mangan:
Enz-Men+ + O2- ––––→ Enz-Me (n-1)+ + O2
Enz-Me(n-1)+ + O2- + 2H+ ––––→ Enz-Men+ + H2O2
3. Catalase vă peroxydase.
Catalase có mặt hầu như trong mọi động vật, thực vật vă vi khuẩn. Nó có tâc dụng ngăn ngừa sự tích lũy H2O2 bằng câch phđn hủy chất năy thănh H2O vă O2.
H2O2 + H2O2 ⎯→ 2H2O + O2
Peroxydase xúc tâc kiểu phản ứng sau đđy:
OH O + H2O2 –––––– + H2O OH O
Loại enzyme năy ít gặp hơn trong câc mô động vật, song rất phổ biến trong câc mô thực vật.
Nếu câc phản ứng do catalase vă peroxydase xúc tâc được viết ở dạng HO HO O + –––– 2H2O + (catalase) HO HO O HO HO O vă + R –––– 2H2O + R (peroxydase) HO HO O
thì ta có thể thấy rõ tính tương đồng giữa hai phản ứng. Có thể xem phản ứng catalase phđn giải H2O2 thănh H2O vă O2 lă một trường hợp đặc biệt của phản ứng peroxydase, trong đó peroxyde hydro vừa lăm cơ chất vừa lăm chất nhận. Tính tương đồng năy sẽ trở nín rõ răng hơn, nếu lưu ý rằng ở nồng độ cao của câc loại rượu vă aldehyde phđn tử nhỏ vă nồng độ thấp của peroxide catalase cũng thể hiện hoạt tính peroxydase. Cả hai enzyme đều có thể sử dụng câc hydroxyperoxide hữu cơ có câc nhóm thế mạch bĩo ngắn lăm cơ chất, ví dụ ethyl hydrogene peroxide vă acid peracetic. Bởi vì, về mặt sinh lý, câc chất nhận khâc có thể tồn tại với nồng độ cao, vă nồng độ peroxide thấp, nín có thể nghĩ rằng catalase hầu như thay thế công việc của peroxydase trong câc mô động vật.
4. Oxygenase.
Monooxygenase lă những enzyme xúc tâc câc phản ứng sử dụng O2, trong đó
một nguyín tử oxy được chuyển cho sản phẩm còn nguyín tử oxy thứ hai bị khử
thănh nước. Dioxygenase cũng sử dụng O2, nhưng cả hai nguyín tử oxy đều được
chuyển cho sản phẩm. Cytochrome P450 mă ta đê xĩt đến ở trín lă một loại
năng khâc nhau lăm cofactor. Monooxygenase đòi hỏi tiếp nhận 2 điện tử từ chất khử, trong khi đó dioxygenase không có đòi hỏi năy.
Dopamine-monooxygenase lă một enzyme chứa Cu2+ có mặt trong nêo vă
phần lõi thượng thận, xúc tâc phản ứng tổng hợp norepinephrine từ dopamine (3,4- dihydro-phenylethylamine). Quâ trình xảy ra như sau:
Sơ đồ phản ứng cho thấy oxy được hoạt hóa bởi phức hệ enzyme-Cu+ để sau
đó một nguyín tử oxy được chuyển cho dopamine để tạo ra sản phẩm, còn nguyín
tử oxy thứ hai bị khử thănh nước. Để khử phức hệ enzyme-Cu2+ không hoạt động
thănh dạng enzyme-Cu+ hoạt động, cần có sự tham gia của acid ascorbic:
Cofactor của monooxygenase rất đa dạng. Ví dụ, vi khuẩn có nhiều loại enzyme flavin mă hoạt động của chúng cần NAD.H hoặc NADP.H lăm chất khử; Một nhóm nhỏ monooxygenase động vật sử dụng tetrahydrobiopterin lăm cofactor để xúc tâc phản ứng chuyển hóa phenylalanine thănh tyrosine.
Một kiểu monooxygenase khâc sử dụng α-cetoglutarate lăm cơ chất vă xúc
tâc câc phản ứng có dạng tổng quât như sau:
A + O2 + α-Cetoglutarate ⎯→ A-OH + Succinate + CO2
Loại monooxygenase năy sử dụng sắt lăm cofactor vă xúc tâc câc quâ trình tổng hợp 5-hydroxylysine, 3- vă 4-hydroxyproline vă carnitine. Chúng cũng cần
acid ascorbic để khử phức hệ enzyme-Fe3+ không hoạt động thănh dạng enzyme-
Fe2+ hoạt động.
Dioxygenase cũng sử dụng một số nhóm chức năng lăm cofactor. Ví dụ, tryptophan-2,3-dioxygenase sử dụng nhóm heme để phâ vỡ vòng indol của tryptophan
5. Hydroxylase chứa molybden.
Thuộc nhóm năy có 3 enzyme động vật lă sulfite oxydase, xanthine oxydase vă aldehyde oxydase. Tính chất đặc biệt của chúng lă sử dụng molybden cùng với câc cofactor khâc. Chúng không hoăn toăn lă oxydase như tín gọi, nhưng xúc tâc câc phản ứng có dạng tổng quât sau đđy:
A + H2O ––––→ A-OH + H+ + 2e-
Câc điện tử bắt nguồn từ phản ứng oxy-hóa cơ chất được chuyển cho câc chất
nhận khâc nhau, như O2, NAD vă cytochrome c, phụ thuộc văo tính đặc hiệu vă sự
định vị của enzyme trong tế băo.
Sulfite sản sinh trong quâ trình dị hóa câc aminoacid chứa lưu huỳnh vă được sulfite oxydase của ty thể biến thănh sulfate, dạng lưu huỳnh chủ yếu của nước tiểu, trong phản ứng sau đđy:
Sulfite oxydase của gan chuột (MW=120.000) được cấu tạo từ hai phần dưới đơn vị giống nhau, mỗi phần dưới đơn vị chứa heme liín kết không đồng hóa trị vă molybdopterin với cấu trúc như sau:
Thiếu sulfite oxydase sẽ lăm chậm sự phât triển trí tuệ vă lăm nẩy sinh nhiều vấn đề liín quan với hoạt động của hệ thần kinh.
Molybdopterin
Xanthine vă aldehyde oxydase, có mặt trong gan vă một số mô khâc, cũng chứa molybden, nhưng ngoăi ra còn chứa câc cofactor flavin vă câc trung tđm chứa sắt vă lưu hùynh. Câc enzyme tự nhiín có kích thước như nhau vă được cấu tạo từ hai phần dưới đơn vị giống nhau; mỗi phần dưới đơn vị chứa một FAD vă một phđn tử molybdopterin liín kết không đồng hóa trị với câc trung tđm Fe2S2. Hơn nữa, cả hai đều xúc tâc câc phản ứng rất giống nhau với dạng tổng quât sau đđy:
AH + H2O + X ––––→ AOH + XH2
AH lă cơ chất khử, cung cấp một cặp điện tử cho enzyme. Những điện tử năy sau đó được tiếp nhận bởi X, tức cơ chất thứ hai (có thể lă NAD+ hoặc O2). Như vậy, enzyme thể hiện hoạt tính của cả dehydrogenase vă oxydase. AH có thể lă cùng một cơ chất, ví dụ câc purine vă pyrimidine, mặc dù tốc độ sử dụng có thể khâc nhau ở hai enzyme. Hai enzyme năy có thể phđn biệt nhau ở chỗ xanthine chỉ lă cơ chất của xanthine oxydase mă không thể lă cơ chất của aldehyde oxydase, vă 6-methylpurine chỉ lă cơ chất của aldehyde oxydase chứ không thể lă cơ chất của xanthine oxydase. Xanthine oxydase oxy-hóa xanthine thănh acid uric, còn aldehyde oxydase oxy-hóa 6-methylpurine thănh 6-methylhypoxanthine.
CHƯƠNG 4. TRAO ĐỔI CARBOHYDRATE TRONG QUÂ TRÌNH HÔ HẤP.
Glucid lă những thănh phần cấu tạo đầu tiín của tế băo được tạo ra bởi câc
cơ thể quang hợp từ CO2 vă H2O nhờ năng lượng ânh sâng. Quâ trình trao đổi
glucid xảy ra sau đó trong những cơ thể năy dẫn đến sự hình thănh hăng loạt câc hợp chất hữu cơ khâc nhau mă rất nhiều trong số chúng được cơ thể động vật dùng lăm thức ăn. Động vật tiếp nhận một số lượng lớn glucid để dùng lăm chất dinh dưỡng dự trữ, hoặc oxy-hóa vă thu nhận năng lượng ở dạng ATP, hoặc chuyển hóa thănh lipid với mục đích tích lũy được nhiều năng lượng hơn, hoặc tổng hợp hăng loạt câc thănh phần cấu tạo của tế băo. Chỉ có một phần nhỏ glucid thực vật lă có ích cho dinh dưỡng của con người, bởi vì trong bộ mây tiíu hóa của con người không có những enzyme cần thiết để phđn hủy cellulose vă một số polyssaccharide thực vật thănh monosaccharide. Những glucid chủ yếu có giâ trị dinh dưỡng đối với con người lă tinh bột, glycogen, câc disaccharide như saccharose, lactose vă maltose. Trong chương năy chúng ta sẽ xem xĩt bằng câch năo câc loại đường, mă chủ yếu lă glucose, được hấp thụ, vận chuyển văo tế băo vă sau đó được sử dụng để sản sinh năng lượng vă tạo ra hăng loạt câc hợp chất hữu cơ cần thiết cho sinh trưởng vă phât triển của cơ thể sống.