CHƯƠNG II. OXY HÓA KHỬ SINH HỌC
CHƯƠNG 3. ENZYME OXY HÓA - KHỬ
IV. SUPEROXIDE DISMUTASE, CATALASE VÀ PEROXYDASE
1.
Peroxid e va ứ superoxide.
Khử O2 bằng cách đưa trực tiếp vào phân tử oxy một cặp điện tử là một quá trình xảy ra rất chậm, vì O2 chứa 2 điện tử không góp chung với trạng thái spin song song trong hai quĩ đạo riêng rẽ và 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 hoàn toàn khác. Sự hạn chế của spin trong việc khử O2 có thể được khắc phục bằng cách bổ sung thêm các điện tử đơn lẻ. Như vậy, khử một phân tử O2 thành H2O cần phải sử dụng 4 điện tử:
O2 + 4H+ + 4e- ––– 2H2O
Phản ứng dẫn đến sự hình thành các sản phẩm trung gian có khả năng phản ứng cao là các ion superoxide (O 2-), peroxide hydro (H O ) và gốc hydroxyl (OH2 2 ).
Sự tồn tại liên tục của những chất này sẽ gây ra những nguy cơ nghiêm trọng cho các hệ thống sống do chúng sẽ phá hoại các thành phần của tế bào. Trên thực tế, OH, một mutagene rất mạnh sinh ra do bức xạ ion-hóa, có khả năng phản ứng rất mạnh và có thể tấn công tất cả các hợp chất hữu cơ.
Quá trình khử O2 bằng một điện tử bao gồm một chuỗi các phản ứng sau ủaõy: O2 + e- –––– O - (1)
O - + H+ HO (2)
2 2
O - + HO + H+ ––– H O + O (3)
2 2 2 2 2
O - + Fe3+ –––– O2 + Fe2+ (4) H2O2+ Fe2+ –––– Fe3+ + OH- + OH (5)
Ion superoxide hình thành trong phản ứng (1) có thể được proton-hóa thành gốc hydroperoxyl [phản ứng (2)], vì H2O2 là một acid với pKa gần bằng 4,8. Phản ứng (3) là phản ứng dismutase tự phát, dẫn đến hình thành H2O2 + O2. Như vậy, tập hợp 3 phản ứng trên đây luôn dẫn đến sự hình thành H2O2 trong bất kỳ hệ thống nào sản sinh ra O -. Các phản ứng (4) và (5) cho thấy rằng các hợp chất chứa sắt có
thể xúc tác phản ứng giữa O - và H O và tạo ra OH.
2 2 2
Như đã nói đến ở trên, hàng loạt enzyme sản sinh ra H2O2 và O -, ví dụ oxy- hóa tự phát nguyên tử sắt trong các chất như hemoglobin, cytochrome b5, feredoxin khử và các chất vận chuyển điện tử hoặc các hệ thống khử khác. Sự đe dọa do hoạt
tính phản ứng rất cao của O - và H O được khắc phục nhờ các enzyme có khả năng
2 2 2
biến đổi những chất này thành những chất có hoạt tính thấp hơn.
2.
Superoxide dismutase
Superoxide dismutase là nhóm enzyme phân hủy O2- bằng cách xúc tác phản ứng sau đây:
O - + O - + 2H+ –––– H O + O
2 2 2 2 2
Dismutase được tìm thấy trong các cơ thể hiếu khí và không có mặt trong các vi sinh vật kỵ khí bắt buộc.
Có 3 loại dismutase khác nhau. Đó là: 1/ Dismutase bào tương của tế bào eucaryote, cấu tạo bởi hai phần dưới đơn vị, mỗi phần dưới đơn vị chứa một nguyên tử Cu và một nguyên tử Zn; 2/ Dismutase ty thể của eucaryote và trong bào tương của vi khuẩn, chứa hai nguyên tử Mn trong mỗi phân tử enzyme;
2
2
2
2
3/ Dismutase chứa sắt, có trật tự aminoacid rất giống với dismutase chứa aminoacid, tìm thấy trong vi khuẩn, tảo lục và một số thực vật.
Hoạt tính xúc tác của dismutase phụ thuộc vào hàm lượng Cu, Mn và sắt.
Trong quá trình xúc tác các kim loại trải qua một vòng tròn các phản ứng oxy hóa - khử, với n bằng 2 đối với enzyme chứa Cu-Zn và bằng 3 đối với các enzyme chứa sắt và chứa mangan:
Enz-Men+ + O - –––– Enz-Me (n-1)+ + O
2 2
Enz-Me(n-1)+ + O - + 2H+ –––– Enz-Men+ + H O
2 2 2
3.
Catalas e va ứ peroxydase.
Catalase có mặt hầu như trong mọi động vật, thực vật và vi khuẩn. Nó có tác dụng ngăn ngừa sự tích lũy H2O2 bằng cách phân hủy chất này thành H2O và O2.
H2O2 + H2O2 2H2O + O2
Peroxydase xúc tác kiểu phản ứng sau đây:
OH O
+ H2O2 –––––– + H2O
OH O
Loại enzyme này ít gặp hơn trong các mô động vật, song rất phổ biến trong các mô thực vật.
Nếu các phản ứng do catalase và peroxydase xúc tác được viết ở
dạng HO HO O
+ –––– 2H2O +
HO HO O
HO HO O
(catalase)
và + 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 phân giải H2O2 thành H2O và O2 là một trường hợp đặc biệt của phản ứng peroxydase, trong đó peroxyde hydro vừa làm cơ chất vừa làm chất nhận.
Tính tương đồng này sẽ trở nên rõ ràng hơn, nếu lưu ý rằng ở nồng độ cao của các loại rượu và aldehyde phân tử nhỏ và nồng độ thấp của peroxide catalase cũng thể hiện hoạt tính peroxydase. Cả hai enzyme đều có thể sử dụng các hydroxyperoxide hữu cơ có các nhóm thế mạch béo ngắn làm cơ chất, ví dụ ethyl hydrogene peroxide và acid peracetic. Bởi vì, về mặt sinh lý, các chất nhận khác có thể tồn tại với nồng độ cao, và nồng độ peroxide thấp, nên có thể nghĩ rằng catalase hầu như thay thế công việc của peroxydase trong các mô động vật.
4.
Oxygenase.
Monooxygenase là những enzyme xúc tác các phản ứng sử dụng O2, trong đó một nguyên tử oxy được chuyển cho sản phẩm còn nguyên tử oxy thứ hai bị khử thành nước. Dioxygenase cũng sử dụng O2, nhưng cả hai nguyên tử oxy đều được chuyển cho sản phẩm. Cytochrome P450 mà ta đã xét đến ở trên là một loại monooxygenase. Các mono- và dioxygenase khác cũng sử dụng các nhóm chức
năng khác nhau làm cofactor. Monooxygenase đòi hỏi tiếp nhận 2 điện tử từ chất khử, trong khi đó dioxygenase không có đòi hỏi này.
Dopamine-monooxygenase là một enzyme chứa Cu2+ có mặt trong não và phần lõi thượng thận, xúc tác phản ứng tổng hợp norepinephrine từ dopamine (3,4- dihydro-phenylethylamine). Quá trình xảy ra như sau:
Sơ đồ phản ứng cho thấy oxy được hoạt hóa bởi phức hệ enzyme-Cu+ để sau đó một nguyên tử oxy được chuyển cho dopamine để tạo ra sản phẩm, còn nguyên tử oxy thứ hai bị khử thành nước. Để khử phức hệ enzyme-Cu2+ không hoạt động thành 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 mà hoạt động của chúng cần NAD.H hoặc NADP.H làm chất khử;
Một nhóm nhỏ monooxygenase động vật sử dụng tetrahydrobiopterin làm cofactor để xúc tác phản ứng chuyển hóa phenylalanine thành tyrosine.
Một kiểu monooxygenase khác sử dụng -cetoglutarate làm cơ chất và xúc tác các phản ứng có dạng tổng quát như sau:
A + O2 + -Cetoglutarate A-OH + Succinate + CO2
Loại monooxygenase này sử dụng sắt làm cofactor và xúc tác các quá trình tổng hợp 5-hydroxylysine, 3- và 4-hydroxyproline và carnitine. Chúng cũng cần acid ascorbic để khử phức hệ enzyme-Fe3+ không hoạt động thành dạng enzyme- Fe2+ hoạt động.
Dioxygenase cũng sử dụng một số nhóm chức năng làm cofactor. Ví dụ, tryptophan-2,3-dioxygenase sử dụng nhóm heme để phá vỡ vòng indol của tryptophan
5.
Hydroxylase chứa molybden.
Thuộc nhóm này có 3 enzyme động vật là sulfite oxydase, xanthine oxydase và aldehyde oxydase. Tính chất đặc biệt của chúng là sử dụng molybden cùng với các cofactor khác. Chúng không hoàn toàn là oxydase như tên gọi, nhưng xúc tác các phản ứng có dạng tổng quát sau đây:
A + H2O –––– A-OH + H+ + 2e-
Các điện tử bắt nguồn từ phản ứng oxy-hóa cơ chất được chuyển cho các chất nhận khác nhau, như O2, NAD và cytochrome c, phụ thuộc vào tính đặc hiệu và sự định vị của enzyme trong tế bào.
Sulfite sản sinh trong quá trình dị hóa các aminoacid chứa lưu huỳnh và được sulfite oxydase của ty thể biến thành sulfate, dạng lưu huỳnh chủ yếu của nước tiểu, trong phản ứng sau đây:
SO 2-+ H O + 2 Cytochrome c-Fe3+ SO 2-+ 2H+ + 2 Cytochrome c-Fe2+
3 2 4
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 liên kết không đồng hóa trị và molybdopterin với cấu trúc như sau:
Molybdopterin
Thiếu sulfite oxydase sẽ làm chậm sự phát triển trí tuệ và làm nẩy sinh nhiều vấn đề liên quan với hoạt động của hệ thần kinh.
Xanthine và aldehyde oxydase, có mặt trong gan và một số mô khác, cũng chứa molybden, nhưng ngoài ra còn chứa các cofactor flavin và các trung tâm chứa sắt và lưu hùynh. Các enzyme tự nhiên có kích thước như nhau và được cấu tạo từ hai phần dưới đơn vị giống nhau; mỗi phần dưới đơn vị chứa một FAD và một phân tử molybdopterin liên kết không đồng hóa trị với các trung tâm Fe2S2. Hơn nữa, cả hai đều xúc tác các phản ứng rất giống nhau với dạng tổng quát sau đây:
AH + H2O + X –––– AOH + XH2
AH là cơ chất khử, cung cấp một cặp điện tử cho enzyme. Những điện tử này sau đó được tiếp nhận bởi X, tức cơ chất thứ hai (có thể là NAD+ hoặc O2).
Như vậy, enzyme thể hiện hoạt tính của cả dehydrogenase và oxydase. AH có thể là cùng một cơ chất, ví dụ các purine và pyrimidine, mặc dù tốc độ sử dụng có thể khác nhau ở hai enzyme. Hai enzyme này có thể phân biệt nhau ở chỗ xanthine chỉ là cơ chất của xanthine oxydase mà không thể là cơ chất của aldehyde oxydase, và 6-methylpurine chỉ là cơ chất của aldehyde oxydase chứ không thể là cơ chất của xanthine oxydase. Xanthine oxydase oxy-hóa xanthine thành acid uric, còn aldehyde oxydase oxy-hóa 6-methylpurine thành 6- methylhypoxanthine.