Sinh học - Chương 6: Enzyme

119 trang vanle 5351

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Sinh học - Chương 6: Enzyme", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

sinh_hoc_chuong_6_enzyme.pdf

Nội dung text: Sinh học - Chương 6: Enzyme

101 Chương 6 Enzyme Enzyme là protein cĩ khả năng xúc tác đặc hiệu cho các phản ứng hĩa học. Chúng thúc đẩy một phản ứng xảy ra mà khơng cĩ mặt trong sản phẩm cuối cùng. Enzyme cĩ trong nhiều đối tượng sinh học như thực vật, động vật và mơi trường nuơi cấy vi sinh vật.Hiện nay người ta đã thu được nhiều loại chế phẩm enzyme khác nhau và sử dụng rộng rãi trong nhiều lãnh vực như y học , nơng nghiệp, cơng nghiệp 6.1. Bản chất hĩa học của enzyme Ngoại trừ một nhĩm nhỏ RNA cĩ tính xúc tác, tất cả enzyme đều là protein. Tính chất xúc tác phụ thuộc vào cấu tạo của protein. Nếu một enzyme bị biến tính hay phân tách thành những tiểu đơn vị thì hoạt tính xúc tác thường bị mất đi, tương tự khi bản thân protein enzyme bị phân cắt thành những amino acid. Vì vậy cấu trúc bậc 1, 2, 3, 4 của protein enzyme là cần thiết cho hoạt tính xúc tác của chúng. Enzyme, cũng như những protein khác, cĩ trọng lượng phân tử khoảng 12.000 đến hơn 1000.000.Một số enzyme cấu tạo gồm tồn những phân tử L amino acid liên kết với nhau tạo thành, gọi là enzyme một thành phần. Đa số enzyme là những protein phức tạp gọi là enzyme hai thành phần. Phần khơng phải protein gọi là nhĩm ngoại hay coenzyme. Một coenzyme khi kết hợp với các apoenzyme khác nhau (phần protein) thì xúc tác cho quá trình chuyển hĩa các chất khác nhau nhưng chúng giống nhau về kiểu phản ứng. Một số enzyme cần ion kim loại cho hoạt động như: Cu2+ Cytochrome oxidase Fe2+ hoặc 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 Zn2+ Carbonic anhydrase , alcohol dehydrogenase, các carboxypeptidase A và B
102 Một số coenzyme và chức năng vận chuyển nhĩm tương ứng của chúng như sau: Biocytin CO2 Coenzyme A Nhĩm Acyl 5’- Deoxyadenosylcobalamin Nguyên tử H và nhĩm alkyl (coenzyme B12) Flavin adenine dinucleotide Điện tử Lipoate Điện tử và nhĩm acyl Nicotinamide adenine dinucleotide Ion Hydride (:H-) Pyridoxal phosphate Nhĩm Amino Tetrahydrofolate Nhĩm 1 Carbon Thiamine pyrophosphate Aldehyde 6.2. Cơ chế tác dụng Những quan điểm hiện nay nhằm giải thích cơ chế tác dụng của enzyme đều cho rằng khi enzyme (E) tưong tác với cơ chất (S) sẽ làm giảm năng lựợng hoạt hĩa các phản ứng hĩa sinh. Muốn làm giảm năng lượng hoạt hĩa các phản ứng enzyme cần trải qua nhiều giai đoạn trung gian và tạo thành phức chất nhất định giữa E và S. Khi kết hợp với phân tử enzyme, do kết quả của sự cực hĩa, sự chuyển dịch của các electron và sự biến dạng của các mối liên kết tham gia trực tiếp vào phản ứng sẽ làm thay đổi động năng và thế năng nên phân tử cơ chất trở nên hoạt động và dễ dàng tham gia phản ứng. Việc tạo thành phức hợp E-S giai đoạn đầu xảy ra rất nhanh và rất khơng bền. Do đĩ sau một thời gian dài mới được chứng minh bằng thực nghiệm. Bằng chứng rõ ràng nhất về sự tồn tại của phức hợp E-S là thành cơng của hai nhà hĩa sinh Nhật Bản K. Iaglu và T. Ozava là tách được phức E-S trong phản ứng khử amin bằng cách oxy hĩa (loại trừ nhĩm amine) một amino acid dãy D do oxydase xúc tác. Nhìn chung ta cĩ thể hình dung cơ chế tác dụng của enzyme lên cơ chất tạo sản phẩm bằng phương trình tổng quát như sau: E + S ' E – S P + E Giai đoạn 1: E kết hợp với S để tạo thành E-S. Giai đoạn này xảy ra rất nhanh, nhờ các liên kết khơng bền như liên kết hydro, tương tác tĩnh
103 diện, tương tác Van der Waals Mỗi loại liên kết địi hỏi những điều kiện khác nhau và chịu ảnh hưởng khác nhau khi cĩ nước. Giai đoạn 2: Sau khi tạo phức, cơ chất cĩ những biến đổi nhất định về mật độ điện tử, cấu hình làm cơ chất trở nên hoạt động hơn, phản ứng được dễ dàng để tạo thành sản phẩm P. Trong nhiều phản ứng do enzyme xúc tác cĩ 2 hay nhiều lọai cơ chất, ví dụ hexokinase xúc tác phản ứng: ATP + glucose hexokinase ADP + glucose 6 phosphate Cơ chế enzyme xúc tác cho phản ứng 2 cơ chất cĩ thể như sau: a/ Cơ chế tạo phức 3 thành phần S2 b/ Cơ chế khơng tạo phức 3 thành phần Đây là trường hợp cơ chất thứ 2(S2) chỉ kết hợp vào enzyme ( ở trạng thái E’) sau khi P1 được tạo thành. 6.3. Trung tâm hoạt động (TTHĐ) của enzyme Từ kết quả nghiên cứu về bản chất hố học, về cấu trúc trung tâm hoạt động , cơ chế tác động, về trung tâm hoạt động chúng ta cĩ thể cĩ một số nhận xét chung về trung tâm hoạt động như sau: - Là bộ phận dùng để liên kết với cơ chất. - Chỉ chiếm tỉ lệ rất bé so với thể tích tồn bộ của enzyme. - Gồm các nhĩm chức của amino acid ngồi ra cĩ thể cĩ cả các ion kim loại và các nhĩm chức của các coenzyme.
104 Đối với E một thành phần: TTHĐ chỉ gồm những nhĩm chức của các amino acid như nhĩm hydroxy của serin, carboxy của glutamic, vịng imidazol Các nhĩm chức của các amino acid cĩ thể xa nhau trong chuỗi polypeptide nhưng nhờ cấu trúc khơng gian nên nĩ gần nhau về mặt khơng gian. Đối với E hai thành phần: TTHĐ cũng như trên, các nhĩm chức của các amino acid tham gia tạo thành TTHĐ liên kết với nhau bằng các liên kết hydro. Ngồi ra trong TTHĐ của loại này cịn cĩ sự tham gia của coenzyme và cĩ thể cả ion kim loại. Theo Fisher TTHĐ cĩ cấu trúc cố định, khi kết hợp với cơ chất để tạo phức E-S ta cĩ thể hình dung giống như chìa khĩa và ổ khĩa. Ngày nay người ta đã chứng minh được rằng: TTHĐ của enzyme chỉ cĩ cấu tạo hồn chỉnh khi cĩ sự tương tác với cơ chất (thuyết tiếp xúc cảm ứng của Koshland). 6.4. Tính đặc hiệu của enzyme Người ta chia tính đặc hiệu ra làm 3 kiểu: + Đặc hiệu phản ứng + Đặc hiệu cơ chất + Đặc hiệu khơng gian a/ Đặc hiệu phản ứng: Đĩ là biểu hiện của một enzyme chỉ thường xuyên xúc tác cho một kiểu phản ứng nhất định, ví dụ vận chuyển hydro từ chất cho (rượu bậc nhất hay rượu bậc hai) đến chất nhận (NAD+ hay NADP+) hay chuyền nhĩm amin từ một amino acid đến một ceto acid. Các phản ứng loại thứ nhất do dehydrogenase xúc tác, cịn phản ứng loại thứ hai do aminotransferase xúc tác.
105 b/ Đặc hiệu cơ chất: Tuỳ mức độ người ta chia thành: đặc hiệu tương đối và đặc hiệu tuyệt đối + Đặc hiệu tuyệt đối: Enzyme chỉ tác dụng lên một cơ chất nhất định, một ví dụ cĩ tính chất kinh điển về chuyên hố tuyệt đối là urease, enzyme chỉ phân giải ure: Hằng trăm thí nghiệm trên các dẫn xuất của ure đều cho thấy chúng khơng bị phân giải dưới tác động của urease. Thực ra người ta đã phát hiện khả năng phân giải cơ chất hydroxyure nhưng với tốc độ bé hơn khoảng 120 lần. + Đặc hiệu nhĩm tuyệt đối: Các enzyme này chỉ tác dụng lên những chất cĩ cùng một kiểu cấu trúc phân tử, một liên kết và cĩ những yêu cầu xác định đối với nhĩm nguyên tử đối vơi nhĩm nguyên tử ở gần liên kết chịu tác dụng. ví dụ : maltase chỉ phân giải liên kết glucosidic được tạo thành từ glucoside của glucose với -OH của monose khác. + Đặc hiệu nhĩm tương đối: Các enzyme khơng cĩ những yêu cầu đối vơi nhĩm chức ở gần liên kết chịu tác dụng. ví dụ lipase thuỷ phân lipid. c/ Đặc hiệu khơng gian: Các enzyme chỉ xúc tác cho một dạng đồng phân nào đĩ như dạng L hay dạng D, dạng cis hay trans mà thơi. 6.5. Các yều tố ảnh hưởng đến tốc độ của phản ứng enzyme 6.5.1. Ảnh hưởng của nồng độ enzyme Trong điều kiện dư thừa cơ chất, nghĩa là [S] >>>[E] thì tốc độ phản ứng phụ thuộc vào [S], v= K[E] cĩ dạng y = ax. Nhờ đĩ người ta đã đo [E] bằng cách đo vận tốc phản ứng do enzyme đĩ xúc tác. Cĩ nhiều trường hợp trong mơi trường cĩ chứa chất kìm hãm hay hoạt hố thì vận tốc phản ứng do enzyme xúc tác khơng phụ thuộc tuyến tính với [E] đĩ. v [E] Hình 6.1: Sự phụ thuộc của vận tốc phản ứng vào [E] 6.5.2 Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất [S] Ta khảo sát trường hợp đơn giản nhất : chỉ một cơ chất.
106 (1) Gọi v1 là vận tốc của phản ứng tạo thành phức chất ES. Gọi v-1 là vận tốc của phản ứng phân ly phức chất ES để tạo thành E và S Gọi v2 là vận tốc của phản ứng tạo thành E và P (sản phẩm). v 1 = k1[E][S] v -1 = k-1[ES] v 2 = k2[ES] Khi hệ thống đạt trạng thái cân bằng ta cĩ: k-1[ES]+k2[ES] = k1[E][S] (k-1+k2)[ES] = k+1[E][S] (2) G ọi E0 là nồng độ ban đầu: [E0]=[E]+[ES]=>[E]=[E0]-[ES] (3) Thay trị số [E] từ (3) vào (2) ta cĩ: (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 là hằng số Michaelis Menten). Ta cĩ : [ES] = [E0][S]/ Km+[S] M ặt khác vận tốc phản ứng tạo thành sản phẩm P là: V = k2[ES] Thay [ES] bằng giá trị ở trên ta thu được: k2[E0] [S] v = (4) Km + [S]
107 Qua đây ta thấy nồng độ enzyme càng cao thì vận tốc phản ứng enzyme càng lớn. Vận tốc đạt cực đại khi tồn bộ enzyme liên kết với cơ chất, nghĩa là: Vmax= k2[E0] Thay vào phương trình (4) ta được: [S] v = Vmax (5) Km+ [S] Phương trình (5) gọi là phương trình Michaelis Menten. Km gọi là hằng số Michaelis Menten đặc trưng cho mỗi enzyme Km đặc trưng cho ái lực của enzyme với cơ chất, Km cĩ trị số càng nhỏ thì ái lực của enzyme với cơ chất càng lớn, nghĩa là vận tốc của phản ứng do enzyme xúc tác càng lớn. [S] Hình 6.2. Biến thiên vận tốc phản ứng theo nồng độ cơ chất. Khi tăng [S] thì v phản ứng tăng, tăng [S] đến một giá trị nào đĩ thì v đạt đến giá trị vmax và sẽ khơng tăng nữa nếu ta vẫn tiếp tục tăng [S]. Khi Km=[S] thì v =1/2 Vmax Năm 1934. Lineweaver và Burk, trên cơ sở của phương trình (5) đã nghịch đảo để biến thành dạng đường thẳng y=ax+b, nĩ cĩ ý nghĩa lớn đối với việc nghiên cứu kìm hãm enzyme.
108 1/v 1/Vmax -1/Km 1/[S] Hình 6.3: Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nồng độ cơ chất theo Lineweaver-Burk 6.5.3. Ảnh hưởng của chất kìm hãm (inhibitor) Là chất cĩ tác dụng làm giảm hoạt độ hay làm enzyme khơng cịn khả nâng xúc tác biến cơ chất thành sản phẩm. Kìm hãm enzyme cĩ thể thực hiện bằng nhiều cách khác nhau (thuận nghịch hay khơng thuận nghịch). Thuận nghịch cĩ: Cách 1: Kìm hãm cạnh tranh (competitive inhibition) Trong trường hợp kìm hãm cạnh tranh là cơ chất và chất kìm hãm đều tác dung lên trung tâm hoạt động của enzyme, Chất kìm hãm chốn chổ của cơ chất ở enzyme. Hình 6.4. Kiểu kìm hãm cạnh tranh Khi cơ chất dư thùa, nồng độ chất kìm hãm thấp thì cĩ thể loại bỏ tác dụng của chất kìm hãm, cịn nồng độ cơ chất thấp và nồng độ chất kìm hãm cao thì lại cĩ tác dụng kìm hãm hồn tồn. 1/v= (αKm/Vmax) 1/S +1/Vmax α = 1+[I]/KI
109 1/v [I] 1/Vmax Khơng cĩ chất kìm hãm 1/[S] Hình 6. 5. Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nồng độ cơ chất theo Lineweaver-Burk khi cĩ kìm hãm cạnh tranh Người ta thấy kìm hãm như vậy phần lớn xẩy ra giữa chất kìm hãm và cơ chất cĩ sự tương đồng về mặt hố học. ví dụ: malic acid cĩ cấu trúc gần giống với succinic acid nên kìm hãm cạnh tranh enzyme succinatedehydrogenase, là enzyme xúc tác cho sự biến đổi succinic acid thành acid fumaric acid. Trường hợp đặc biệt của kìm hãm cạnh tranh là kìm hãm bằng sản phẩm. Trường hợp này xẩy ra khi một sản phẩm phản ứng tác dụng trở lại enzyme và chốn vị trí hoạt động ở phân tử enzyme. Đường thẳng cĩ chất kìm hãm thì cĩ độ xiên lớn hơn và cắt trục tung ở một điểm là 1/Vmax Cách 2: Kìm hãm phi cạnh tranh (uncompetitive inhibition) Đặc trưng của kiểu kìm hãm này là chất kìm hãm chỉ liên kết với phức hợp ES, mà khơng liên kết với enzyme tự do.
110 Hình 6.6. Kiểu kìm hãm phi cạnh tranh 1/v=(Km/Vmax)1/[S] + α’/Vmax 1/v [I] -1/Km khơng cĩ chất kìm hãm 1/[S] Hình 6.7. Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nồng độ cơ chất theo Lineweaver-Burk khi cĩ kìm hãm phi cạnh tranh
111 Cách 3: Kìm hãm hỗn tạp( mixed inhibition ) Hình 6.8. Kiểu kìm hãm hỗn tạp Trong đĩ, chất kìm hãm khơng những liên kết với enzmye tự do mà cịn liên kết với cả phức hợp ES tạo thành phức hợp EIS khơng tạo được sản phẩm P. Tương tự như trên ta cĩ phương trình : 1/v= (αKm/Vmax)1/[S] +α’/vmax 1/v [I] 1/Vmax khơng cĩ chất kìm hãm 1/[S] Hình 6.9. Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nồng độ cơ chất theo Lineweaver-Burk khi cĩ kìm hãm hỗn tạp
112 Các giá trị α ,α’ được định nghĩa như trên. Trường hợp α = α’ gọi là kìm hãm khơng cạnh tranh (noncompetitive inhibition). Một trường hợp kìm hãm cịn gặp nữa là kìm hãm enzyme bằng nồng độ cao của cơ chất gọi là “kìm hãm cơ chất” như kìm hãm urease khi nồng độ ure cao, ngồi ra cịn cĩ các enzyme khác như lactatdehydrogenase, carboxypeptidase, lipase, pyrophotphatase, photphofructokinase (đối với ATP). Nguyên nhân của những hiện tượng này cĩn chưa được biết rõ. Đĩ cĩ thể là: + Tồn tại nhiều trung tâm liên kết với cơ chất bằng các ái lực khác nhau. Khi nồng độ cơ chất thấp thì enzyme cĩ thể chỉ liên kết với một phân tử cơ chất, cịn khi ở nồng độ cơ chất cao nĩ liên kết với nhiều cơ chất dẫn đến hình thành phức hợp ES khơng hoạt động. + Cơ chất cũng cĩ thể được liên kết nhờ những vị trí đặc biệt của enzyme. Đĩ là một nhĩm enzyme quan trọng (enzyme dị lập thể) bên cạnh trung tâm xúc tác cịn cĩ trung tâm điểu chỉnh. + Cơ chất cĩ thể liên kết với một chất hoạt hố và bằng cách này nĩ tách khỏi E. + Cơ chất cĩ thể chốn chổ (ngăn cản) một cofactor ( đồng yếu tố ) hay một coenzyme. + Cơ chất cĩ thể ảnh hưởng đến ion lực của mơi trường và qua đĩ làm mất đi tình chuyên hố của enzyme. 6.5.4. Ảnh hưởng của chất hoạt hĩa (activator) Là chất làm tăng khả năng xúc tác nhằm chuyển hĩa cơ chất thành sản phẩm. Thơng thường là những cation kim loại hay những hợp chát hữu cơ như các vitamin tan trong nươc. Ví dụ: Mg++ hoạt hĩa các enzyme mà cơ chất đã được phosphoryl hĩa như pyrophosphatase (cơ chất là pyrophosphate), adenosinetriphosphatase (cơ chất là ATP). Các cation kim loại cĩ thể cĩ tính đặc hiệu, tính đối kháng và tác dụng cịn tuỳ thuộc vào nồng độ. 6.5.5. Ảnh hưởng cuả nhiệt độ Ta cĩ thể tăng vận tốc của một phản ứng hĩa học bằng cách tăng nhiệt độ mơi trừơng, hiện tượng này tuân theo quy luật Vant’-Hoff. Điều này cĩ nghĩa khi tăng nhiệt độ lên 100C thì tốc độ phản ứng tăng lên khỏang 2 lần. Đối với phản ứng do enzyme xúc tác cũng cĩ thể áp dụng được quy luật này nhưng chỉ trong một phạm vi nhất định,vì bản chất enzyme là protein.Khi ta tăng nhiệt độ lên trên 40-500C xảy ra quá trình phá huỷ chất
113 xúc tác. Sau nhiệt độ tối ưu tốc độ phản ứng do enzyme xúc tác sẽ giảm. Nhờ tồn tại nhiệt độ tối ưu người ta phân biệt phản ứng hố sinh với các phản ứng vơ cơ thơng thường. M ỗi enzyme cĩ một nhiệt độ tối ưu khác nhau, phần lớn phụ thuộc nguồn cung cấp enzyme, thơng thường ở trong khoảng từ 40-600C , cũng cĩ enzyme cĩ nhiệt độ tối ưu rất cao như các enzyme của những chủng ưa nhiệt. Các chủng vi sinh vật ưa nhiệt, đăc biệt các vi khuẩn chịu nhiệt cĩ chứa enzyme chịu nhiệt cao. Họat độ nhiệt độ Hình 6.10. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên họat độ enzyme 6.5.6. Ảnh hưởng của pH Sự phân li khác nhau của một phân tử protein ở các giá trị pH khác nhau làm thay đổi tính chất của trung tâm liên kết với cơ chất và tính chất hoạt động của phân tử enzyme.Điều này dẩn đến giá trị xúc tác khác nhau phụ thuộc vào giá trị pH. Như đã biết mỗi enzyme cĩ một pH tối ưu,mỗi enzyme cĩ đường biểu diễn ảnh hưởng pH lên vận tốc phản ứng do chúng xúc tác. Đường biểu diễn cĩ dạng như hình sau: Họat độ Hình 6.10. Ảnh hưởng của pH lên họat độ enzyme
114 Ảnh hưởng của giá trị pH đến tác dụng enzyme cĩ thể do các cơ sở sau: a/ Enzyme cĩ sự thay đổi khơng thuận nghịch ở phạm vi pH cực hẹp. b/ Ở hai sườn của pH tối ưu cĩ thể xảy ra sự phân ly nhĩm prosthetic hay coenzyme. c/ Làm thay đổi mức ion hố hay phân ly cơ chất. d/ Làm thay đổi mức ion hố nhĩm chức nhất định trên phân tử enzyme dẫn đến làm thay đổi ái lực liên kết của enzyme với cơ chất và thay đổi hoạt tính cực đại. Nhờ xác định Vmax và Km phụ thuộc giá trị pH cho phép nhận định lại bản chất của các nhĩm tham gia vào liên kết cơ chất và quá trình tự xúc tác. 6.5.7. Các yếu tố khác + Ánh sáng: Cĩ ảnh hưởng khác nhau đến từng loại enzyme, các bước sĩng khác nhau cĩ ảnh hưởng khác nhau, thường ánh sáng trắng cĩ tác động mạnh nhất, ánh sáng đỏ cĩ tác động yếu nhất. Ánh sáng vùng tử ngoại cũng cĩ thể gây nên những bất lợi, enzyme ở trạng thái dung dịch bền hơn khi được kết tinh ở dạng tinh thể, nồng độ enzyme trong dung dịch càng thấp thì càng kém bền, tác động của tia tử ngoại sẽ tăng lên khi nhiệt độ cao. Ví dụ dưới tác động của tia tử ngoại ở nhiệt độ cao enzyme amylase nhanh chĩng mất hoạt tính. + Sự chiếu điện: Điện chiếu với cường độ càng cao thì tác động phá huỷ càng mạnh. Tác động sẽ mạnh hơn đối với dịch enzyme cĩ nồng độ thấp. Cĩ thể do tạo thành những gốc tự do, từ đĩ tấn cơng vào phản ứng enzyme. + Sĩng siêu âm: Tác động rất khác nhau đối với từng loai enzyme, cĩ enzyme bị mất hoạt tính, cĩ enzyme lại khơng chịu ảnh hưởng. Nhận xét chung: Độ bền phụ thuộc vào trang thái tồn tại của enzyme, càng tinh khiết thì enzyme càng kém bền, dịch càng lỗng thì độ bền càng kém, tác động của một số ion kim loại trong dịch với nồng độ khoảng 10-3M như Ca++ làm tăng tính bền. Enzyme allosteric ( Enzyme dị lập thể, dị khơng gian) Cho đến nay, người ta mơ tả enzyme mà họat tính enzyme phụ thuộc nồng độ cơ chất khơng cĩ dạng hyperbol mà cĩ dạng sigmoid là enzyme allosteric (Hình 6.11 ):
115 Hình 6.11. Biến thiên vận tốc phản ứng theo nồng độ cơ chất Đối với enzyme này, khi nồng độ cơ chất thấp thì tốc độ phản ứng tăng chậm, sau đĩ tiếp tục tăng nồng độ thì tốc độ nhanh chĩng đạt giá trị cực đại. Như ta đã biết, enzyme tuân theo động học Michaelis-Menten thì 1 hay nhiều cơ chất cũng chỉ liên kết vào 1 vị trí trên phân tử enzyme, điều này sẽ dẫn đến enzyme bão hịa cơ chất. Cịn enzyme cĩ đường cong tốc độ sigmoid chỉ xuất hiện khi enzyme là một oligomer, nên cĩ thể liên kết với nhiều phân tử cơ chất. Điều này cĩ nghĩa trên enzyme allosteric cĩ nhiều trung tâm liên kết, mỗi monomer cĩ 1 trung tâm liên kết. Người ta cho rằng, trong trường hợp này cĩ tính hợp tác giữa các vị trí liên kết cơ chất trong phân tử enzyme oligomer. Các enzyme oligomer này được Monod gọi là allosteric enzyme dị lập thể (allosteric enzyme). Đường cong tốc độ sigmoid cĩ thể bị chất điều hịa (modulator) đẩy về phía trái hay phải. Chất điều hịa dương tức làm tăng ái lực của enzyme allosteric với cơ chất, ngược lại là chất điều hịa âm. Các chất điều hịa cĩ thể làm ảnh hưởng khác nhau đến các thơng số động học, làm thay đổi giá trị riêng lẻ một trong hai giá trị Km hay Vmax. Hình 6.12 Minh họa khi cĩ modulator
116 6.6. Cách gọi tên và phân loại enzyme Như ta đã biết mỗi enzyme xúc tác cho mỗi kiểu phản ứng hố học duy nhất (như oxy hố một kiểu cơ chất nhất định, thuỷ phân một kiểu liên kết nhất định,vận chuyển một nhĩm chất nhất định từ một chất cho đến một chất nhận cĩ địa chỉ, trong đĩ cĩ cả việc biến đổi chỉ một cơ chất duy nhất), mặt khác cịn cĩ một kiểu phản ứng hố sinh nhất định cĩ thể được xúc tác bằng các enzyme khác nhau. D ựa vào tính đặc hiệu phản ứng của enzyme, năm 1961 tiểu ban enzyme học quốc tế đã trình bày một báo cáo, trong đĩ cĩ đề nghị những nguyên tắc định tên và phân loại enzyme. Người ta chia enzyme ra làm 6 lớp: 1. Oxydoreductase: các enzyme xúc tác cho các phản ứng oxi hố-khử. 2. Transferase: các enzyme xúc tác cho các phản ứng chuyển vị. 3. Hydrolase: các enzyme xúc tác cho các phản ứng thủy phân. 4. Lyase: các enzyme xúc tác cho các phản ưng phân cắt khơng cần nước. 5. Isomerase: các enzyme xúc tác cho các phản ứng đồng phân hố. 6. Ligase (synthetase): các enzyme xúc tác cho các phản ứng tổng hợp cĩ sử dụng liên kết giàu năng lượng của ATP .v.v. Mỗi lớp chia thành nhiều tổ (dưới lớp), mỗi tổ chia thành nhiều nhĩm (siêu lớp). Tên enzyme thường được gọi: Tên cơ chất đặc hiệu - loại phản ứng xúc tác cộng thêm tiếp vĩ ngữ ase. Đứng trước tên enzyme thường cĩ 4 con số: số thứ nhất chỉ lớp, số thứ hai chỉ tổ, số thứ ba chỉ nhĩm, số thứ tư chỉ số hạng enzyme trong nhĩm. Ví dụ: (2.6.1.1) L.aspartate: α-cetoglutarate aminotransferase. Enzyme này xúc tác cho phản ứng chuyển nhĩm amine từ L.aspartate đến α-cetoglutarate. L.aspartate +α-cetoglutarate ' oxaloacetate + glutamate 6.7. Các coenzyme quan trọng Nicotinamide adenine dinucleotide
117 Flavine adenine dinucleotide Lipoic acid Coenzyme A Biotin
118 Thiamin diphosphate (Nhĩm ε- amino protein, Schiff base) Pyridoxal phosphate Tetrahydrofolic acid
119 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt 1. Phạm Thị Trân Châu, Trần thi Áng. 1999. Hố sinh học, NXB Giáo dục, Hà Nội. 2. Đỗ Quý Hai. 2004. Giáo trình Hĩa sinh đại cương, Tài liệu lưu hành nội bộ Trường ĐHKH Huế. 3. Trần Thanh Phong. 2004. Giáo trình Hĩa sinh đại cương, Tài liệu lưu hành nội bộ 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. Hĩa 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. 4. Mikkelsen S. R. 2004. Bioanalytical chemistry, copyright by John Wiley & Sons, Inc.
120 Chương 7 Hormone 7.1. Cơ chế tác dụng của hormone Hormone là những chất hữu cơ được tạo thành trong cơ thể cĩ tác dụng điều hồ các hoạt động sống trong cơ thể. Lượng hormone trong cơ thể thường rất thấp. Hormone cĩ cả ở thực vật và động vật. Ở động vật hormone được sản xuất tại các tuyến nội tiết và tác động đến các mơ khác nơi nĩ được tạo ra. Hormone từ tuyến nội tiết được tiết trực tiếp vào máu và được máu vận chuyển đến các mơ chịu tác dụng. Hormone cĩ tính đặc hiệu. Hormone cĩ tác dụng điều hồ các quá trình sinh lý, hố sinh trong cơ thể mà khơng tham gia trực tiếp vào các phản ứng của cơ thể. Hormone cĩ tác động đến tốc độ sinh tổng hợp protein, enzyme, ảnh hưởng đến tốc độ xúc tác của enzyme; thay đổi tính thấm của màng tế bào, qua đĩ điều hồ hoạt động sống xảy ra trong tế bào. Một số hormone tác động đến cơ thể thơng qua chất trung gian AMP vịng. AMP vịng là chất truyền tin thứ 2, cịn hormone là chất truyền tin thứ nhất. Theo cơ chế này tác dụng của hormone lên tế bào đích xảy ra qua nhiều giai đoạn khá phức tạp. - Trong màng nguyên sinh chất của tế bào cĩ chứa chất nhận hormone, chất này sẽ kết hợp đặc hiệu với hormone. - Sự kết hợp đĩ kích thích làm tăng hoạt độ của adenylatcyclase xúc tác cho phản ứng chuyển hố ATP thành AMP vịng. - Adenylatcyclase xúc tác cho phản ứng chuyển hố ATP thành AMP vịng. - AMP vịng làm thay đổi vận tốc của các quá trình xảy ra trong tế bào liên quan đến hoạt động của hormone. - Như vậy tác dụng của hormone theo cơ chế này phải thơng qua AMP vịng mà khơng tác động trực tiếp vào tế bào. - Quá trình hoạt hố adenylatcyclase bởi phức hormone-chất nhận được thực hiện qua chất trung gian là protein G. Phân tử protein này cĩ khả năng kết hợp với GDP hay GTP. Dạng phức protein G-GTP cĩ tác dụng hoạt hố adenylatcyclase, cịn protein G-GDP khơng cĩ tác dụng này. Như vậy muốn chuyển sang dạng hoạt động phải cĩ sự tham gia của GTP, nếu là protein G-GDP cần cĩ sự thay thế GDP bằng GTP nhờ phức
121 hormone-chất nhận xúc tác. Dịng thơng tin đã được truyền từ chất nhận hormone đến protein G rồi đến adenylatcyclase. - Protein G khơng chỉ cĩ vai trị trung gian mang thơng tin từ chất nhận hormone đến adenylatcyclase mà cịn cĩ hoạt tính của GTPase, đĩ là khả năng thuỷ phân GTP. Nhờ khả năng đĩ nên nĩ xúc tác cho quá trình chuyển phức proteinG-GTP hoạt động thành dạng proteinG-GDP khơng hoạt động do thuỷ phân GTP trong phức proteinGTP thành GDP tạo nên phức proteinG-GDP. Bằng cơ chế đĩ protein G cĩ vai trị quan trọng trong quá trình hoạt hố hay phản hoạt hố adenylatcyclase. Khi lượng hormone giảm adenylatcyclase trở thành dạng khơng hoạt động. - Nhiều hormone cĩ cơ chế tác động thơng qua vai trị trung gian của AMP vịng. Như vậy AMP vịng tham gia vào nhiều quá trình khác nhau trong cơ chế tác động của hormone. Đĩ là do AMP vịng cĩ tác dụng hoạt hố proteinkinase là enzyme xúc tác quá trình photphoryl hố nhiều loại protein khác nhau. Thường các protein enzyme ở dạng phosphoryl hố là dạng cĩ hoạt tính sinh học. - Các hormone tác dụng theo cơ chế qua AMP vịng, tín hiệu được khuyếch đại lên nhiều lần, do vậy nồng độ các hormone trong máu rất thấp, chỉ khoảng 10-10M, nhưng chỉ cần hoạt hố được một phân tử adenylatcyclase đã cĩ thể tạo ra được nhiều phân tử AMP vịng nên nồng độ AMP vịng trong tế bào đích cao hơn nhiều lượng hormone trong máu. Tác dụng hoạt hố proteinkinase nhờ AMP vịng lại làm cho tín hiệu được khuyếch tán tiếp tục vì nhiều phân tử protein được hoạt hố nhờ proteinkinase. Điều đĩ giải thích được tại sao nồng độ hormone trong máu rất thấp mà tác dụng kích thích của nĩ lại rất mạnh. - Một cơ chế tác động thứ hai của hormone là khơng qua AMP vịng.Insulin là hormone tác động đến tế bào đích khơng qua bước trung gian là làm tăng lượng AMP vịng. Insulin liên kết chặt chẻ với chất nhận đặc hiệu của nĩ trên màng nguyên sinh chất của tế bào đích. Tương tác giữa Insulin và chất nhận bảo đảm cho tác động của Insulin được thể hiện nhanh chĩng. Insulin cịn cĩ tác dụng phosphoryl hố protein tham gia vào cơ chế kích thích quá trình trao đổi glycogen. - Cơ chế tác dụng của các hormone thực vật hồn tồn khác hormone động vật. Các hormone thực vật tác động lên hoạt tính các enzyme bằng cách liên kết với enzyme để tạo phức hoạt động. Khi liên kết với hormone hoạt tính của enzyme được tăng lên. - Hormone thực vật cịn làm thay đổi tính chất của màng cellulose, màng nguyên sinh qua đĩ tác động kích thích quá trình sinh trưởng của tế bào.
122 - Một cơ chế tác động quan trọng nữa của hormone thực vật là thay đổi tính chất của nguyên sinh chất của tế bào, từ đĩ ảnh hưởng đến các hoạt động sinh lý, trao đổi chất của tế bào 7.2. Các hormone quan trọng 7.2.1. Hormone động vật - Hormone động vật cĩ nhiều loại với cấu tạo và chức năng rất khác nhau. Dựa vào cấu tạo hố học cĩ thể chia hormone động vật thành 3 nhĩm: - Hormone steroid là dẫn xuất của cholesterol. - Hormone là dẫn xuất của amino acid. - Hormone là peptide hay protein. 7.2.1.1. Hormone là steroid - Đây là nhĩm hormone cĩ số lượng lớn, cĩ vai trị quan trọng và đa dạng. Người ta chia steroid thành 5 nhĩm nhỏ với nhiều loại khác nhau: T Nơi tạo Nhĩm Đại diện Vai trị T thành -Thể vàng Hormone dưỡng thai 1 Progestagen Progesterol -Vỏ thượng giúp trứng phát triển thận - Kích thích tổng hợp glycogen và tích luỹ glycogen ở gan. Vỏ thượng Glucocorticoid Cortisol - Kích thích phân giải thận 2 protein, lipid. - Chống viêm, tích nước muối. - Tăng hấp thụ Na+, Cl- Vỏ thượng Mineral corticoid Andosterol - Tăng tích nước. 3 thận - Bài tiết K+ Phát triển các đặc điểm 4 Androgen Testosterol Tinh hồn của nam giới. - Phát triển các đặc điểm nữ giới. Estrogen Estron Buồng trứng 5 - Phát triển niêm mạc dạ con.
123 7.2.1.2. Hormone là dẫn xuất amino acid Đến nay người ta đã biết một số hormone là dẫn xuất amino acid như adrenaline, noradrenaline, thyroxine - Adrenaline và noradrenaline là các hormone do tuyến thượng thận tạo ra. Các hormone này cĩ tác dụng kích thích sự phân giải glycogen, làm giảm sự tổng hợp glycogen nên làm tăng hàm lượng glucose trong máu. . OH HO CHOH - CH2 - NH - CH3 Adrenaline OH HO CHOH - CH2 - NH2 Noradrenaline Thiroxine là hormone do tuyến giáp sản xuất cĩ tác dụng tăng cường quá trình trao đổi chất, giúp cho cơ thể phát triển bình thường. Nếu thiếu thyroxine gây nên trạng thái thiểu năng tuyến giáp làm cho cơ thể lùn, kém phát triển, đần độn. Ngược lại nếu thừa thyroxine cũng gây bệnh là ưu năng tuyến giáp làm cho người cao quá khổ, khơng cân đối. I I NH2 HO CH2 - CH COOH I O I Thyroxine (Tetraiodothyronine)
124 Đây là nhĩm hormone cĩ vai trị quan trọng trong quá trình điều hồ trao đổi chất trong cơ thể, đặc biệt là điều hồ lượng đường trong máu. Một số hormone là peptide: STT Hormone Nơi tạo ra Vai trị 1 Tyrocalcitonin Tuyến giáp Giảm hàm lượng Ca++ trong máu 2 Insulin Tuyến tụy Giảm lượng đường trong máu 3 Glucagon Tuyến tụy Tăng lượng đường trong máu 4 Oxytoxin (HGF) Tuyến yên Gây co dạ con, kích thích đẻ 5 Vasopressin (ADH) Tuyến yên Tăng áp, chống bài tiết 6 Melanotropin (MSH) Tuyến yên Kích thích tăng sắc tố da 7 Somatotropin (STH) Tuyến yên Kích thích tăng trưởng, tăng TĐC 8 Corticotropin (ACTH) Tuyến yên Kích thích tuyến trên thận 9 Thyreotropin (TSH) Tuyến yên Kích thích tuyến giáp 10 Kích nang tố (FSH) Tuyến yên Kích thích tạo estradiol Sau đây sẽ đề cập đến một số hormone trong nhĩm này: - Insulin: Insulin được tiết từ tế bào beta của đảo Langẻhan của tuyến tụy khi lượng đường trong máu cao. Insulin kích thích các quá trình tổng hợp, kìm hãm các quá trình phân giải glycogen ở gan, mơ mỡ. Insulin cịn kích thích sự phân giải glucose. Nhờ đĩ insulin làm giảm lượng đường trong máu, do đĩ chống lại bệnh đái tháo đường. Insulin cĩ khối lượng phân tử là 5800. Cấu tạo insulin gồm 2 chuỗi polypeptide: chuỗi A cĩ 21 amino acid, chuỗi B cĩ 30 amino acid. Hai chuỗi liên kết với nhau bằng 2 liên kết disunfit. Tiền chất của insulin là proinsulin và preproinsulin.Từ preproinsulin biến đổi thành proinsulin, sau đĩ insulin được tạo nên từ proinsulin. - Glucagon là hormone peptide, cĩ tác dụng ngược với insulin. Khi lượng đường trong máu giảm qúa mức cho phép thì tuyến tuỵ sản sinh ra glucagon cĩ tác dụng làm tăng lượng đường trong máu nhờ kìm hãm quá trình tổng hợp glycogen. Glucagon cĩ khối lượng phân tử 3.500, bao gồm 29 gốc amino acid tạo chuỗi polypeptide mạch thẳng.
125 7.2.2. Hormone thực vật Hormone thực vật là các chất cĩ vai trị quan trọng trong quá trình sinh trưởng, phát triển của thực vật. Cĩ nhiều loại hormone khác nhau trong cơ thể thực vật. Các loại hormone này khác nhau về bản chất hố học, về vai trị đối với thực vật. Cĩ thể chia hormone thực vật thành 5 nhĩm: - Auxin. - Gibberellin. - Cytokinin. - Absisic acid. - Ethylen. 7.2.2.1. Auxin Auxin là nhĩm hormone quan trọng, phổ biến nhất ở thực vật. Cĩ nhiều loại auxin khác nhau với cấu trúc hố học khác nhau. Loại auxin quan trọng nhất là β-indol-acetic acid (IAA), ngồi ra một số auxin khác cũng khá phổ biến là napthalen-acetic acid (NAA), phenyl-acetic acid (PAA) CH -COOH CH -COOH 2 2 CH2-COOH N H IAA NAA PAA Auxin cĩ vai trị nhiều mặt đối với thực vật: - Kích thích sự sinh trưởng tế bào, từ đĩ kích thích sự sinh trưởng các cơ quan và tồn cơ thể. - Cĩ vai trị quyết định hiện tượng ưu thế đỉnh. - Cĩ vai trị quyết định các cử động sinh trưởng như hướng sáng, hướng trọng lực. - Kích thích quá trình nảy mầm, rút ngắn thời kỳ ngủ của hạt, củ. - Ức chế sự rụng lá, kích thích sự tạo quả.
126 - Kích thích các hoạt động sinh lý, các quá trình trao đổi chất và năng lượng của cơ thể. 7.2.2.2. Gibberellin Gibberellin là nhĩm hormone quan trọng thứ hai ở thực vật. Gibberellin được các nhà khoa học Nhật phát hiện lần đầu tiên ở lồi nấm gây bệnh lúa von (Gibberellin fujcoroi). Cĩ nhiều loại Gibberellin khác nhau, đến nay đã tìm thấy hơn 70 loại Gibberellin cĩ mặt ở thực vật, vi sinh vật. Người ta đặt tên các Gibberellin theo thứ tự thời gian phát hiện GA1. GA2 GAn, trong đĩ quan trọng nhất cĩ thể kể đến là GA3. Các Gibberellin đều là dẫn xuất của vịng gibban. O C = O HO OH CH3 COOH CH2 Cấu tạo GA 3 Gibberellin cĩ vai trị quan trọng trong quá trình sinh trưởng, phát triển của thực vật: - Kích thích sự sinh trưởng của tế bào, qua đĩ kích thích sự sinh trưởng của các cơ quan và cơ thể. - Kích thích quá trình nảy mầm, phá trạng thái ngủ của hạt, củ. - Kích thích sự ra hoa của cây ngày dài. - Kích thích các hoạt động sinh lý, các quá trình trao đổi chất và năng lượng của cơ thể. 7.2.2.3. Cytokinin Cytokinin là các dẫn xuất của base Adenine. Cĩ nhiều loại cytokinin khác nhau, quan trọng nhất là kinetin và zeatin.
127 HN - CH2 CH OH O 2 HN - CH2- CH = CH CH 3 N N N N N N H N N H N Kinetin Zeatin Xitokinin tham gia và nhiều hoạt động sống quan trọng của thực vật: - Kích thích sự phân bào qua đĩ kích thích sự sinh trưởng của tế bào. - Làm chậm quá trình hố già của tế bào, mơ. - Giúp cho thực vật chống lại các stress của mơi trường cĩ hiệu quả. - Là thành phần cấu tạo của nucleic acid (trong một số loại RNA) nên cĩ vai trị trong quá trình trao đổi nucleic acid và protein. - Kích thích các hoạt động sinh lý, các quá trình trao đổi chất và năng lượng của cơ thể. 7.2.2.4. Absisic acid Acid absisic (ABA) là nhĩm chất ức chế sinh trưởng cĩ tác dụng ngược lại 3 nhĩm chất trên. Absisic acid là dẫn xuất của triterpen. CH3 CH3 CH3 OH COOH O CH3 ABA
128 Tác dụng chủ yếu của ABA là ức chế quá trình sinh trưởng của tế bào, gây hiện tượng rụng lá, rụng quả. ABA kéo dài thời gian ngủ của hạt, củ. Do ức chế sự sinh trưởng của thực vật nên ABA phối hợp với nhĩm chất kích thích sinh trưởng để điều hồ quá trình sinh trưởng của thực vật xảy ra cân đối. 7.2.2.5. Ethylen Ethylen (CH2 = CH2) là nhĩm hormone thực vật cĩ tác dụng gần giống ABA nên thuộc nhĩm chất ức chế sinh trưởng. Etylen thúc đẩy quá trình chín của quả, quá trình rụng lá. Khác với hormone động vật, hormone thực vật được tổng hợp trong các phần khác nhau của cây mà khơng cĩ các tuyến tiết chuyên biệt. Các hormone thực vật được tổng hợp ở các vùng khác nhau của cây. Auxin, gibberellin chủ yếu được tổng hợp tại các phần non của cây, nhất là vùng sinh trưởng như đỉnh sinh trưởng, tượng tầng Sau khi tổng hợp Auxin, gibberellin được vận chuyển trong các mơ dẫn hay qua hệ thống tế bào sống để đưa đến các vùng tác dụng. Hormone thực vật cũng khơng cĩ tế bào đích chuyên biệt như ở động vật mà tác động lên tồn cơ thể. Cytokinetin được tổng hợp mạnh ở phần rễ non, cịn absisic acid , ethylen lạị được tổng hợp nhiều ở các phần già của cây. Sau khi tổng hợp các hormone này cũng được vận chuyển đến các vùng khác nhau trong cơ thể để thực hiện các chức năng của chúng.
129 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt 1. Trần Thị Ân (chủ biên). 1979. Hĩa sinh đại cương (tập I, II). NxB KH&KT. Hà Nội. 2. Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng. 2000. Hĩa sinh học. Nxb Giáo dục. Hà Nội. 3. Nguyễn Bá Lộc. 1997. Hĩa sinh. Nxb Giáo dục. Hà Nội Tài liệu dịch 1. Musil J.G., Kurz .K., Novakava .O. 1982 2. Sinh hĩa học hiện đại theo sơ đồ. Nxb Y học. Hà Nội. Tài liệu tiếng nước ngồi 1. Farkas G. 1984. Nưvényi anyagcsereélettan. Akadémiai Kiadĩ Budapest. 2. Lehninger A. L., 2004. Principle of Biochemistry, 4th Edition. W.H Freeman.
130 Chương 8 Khái niệm về sự trao đổi chất và trao đổi năng lượng Trao đổi chất và trao đổi năng lượng là bản chất của hoạt động sống của mọi cơ thể sinh vật, là biểu hiện tồn tại sự sống. Sự trao đổi chất của cơ thể luơn gắn liền với sự trao đổi và chuyển hĩa năng lượng. Chính vì vậy, trao đổi chất và trao đổi năng lượng là hai mặt của một quá trình liên quan chặt chẽ với nhau. 8.1. Khái niệm chung về sự trao đổi chất Cơ thể sống tồn tại, phát triển trong mơi trường và khơng ngừng liên hệ mật thiết với mơi trường đĩ. Nĩ hấp thụ các chất khác nhau từ mơi trường ngồi, làm biến đổi các chất đĩ và một mặt tạo nên các yếu tố cẩu tạo của bản thân cơ thể sống, mặt khác lại thải vào mơi trường ngồi các sản phẩm phân giải của chính cơ thể cũng như các sản phẩm hình thành trong quá trình sống của cơ thể. Quá trình đĩ thực hiện được là do các biến đổi hĩa học liên tục xảy ra trong cơ thể. Người ta gọi tồn bộ các biến đổi hĩa học đĩ là sự trao đổi chất. Sự trao đổi chất bao gồm nhiều khâu chuyển hĩa trung gian. Các quá trình này xảy ra phức tạp trong từng mơ, từng tế bào bao gồm 2 quá trình cơ bản là đồng hĩa (tổng hợp) và dị hĩa (phân giải) tạo nên chu kỳ trao đổi chất liên tục giữa chất nguyên sinh và chất nhận vào. Quá trình đồng hĩa là sự hấp thụ các chất mới từ mơi trường bên ngồi, biến đổi chúng thành sinh chất của mình; biến đổi các chất đơn giản thành chất phức tạp hơn, sự tích lũy năng lượng cao hơn. Đây là quá trình biến đổi các chất khơng đặc hiệu (các chất hữu cơ của thức ăn như glucid, lipid, protein) từ các nguồn khác nhau (thực vật, động vật, vi sinh vật) thành các chất hữu cơ khác (glucid, lipid, protein) đặc hiệu của cơ thể. Đặc điểm của quá trình này là thu năng lượng. Năng lượng cần thiết cung cấp cho các phản ứng tổng hợp trên chủ yếu ở dạng liên kết cao năng của ATP. Quá trình dị hĩa là quá trình ngược lại của quá trình đồng hĩa, là sự biến đổi các chất phức tạp thành các chất đơn giản và giải phĩng năng lượng cần thiết cho hoạt động sống. Như vậy đây là quá trình phân giải các chất dự trữ, các chất đặc trưng của cơ thể thành các sản phẩm phân tử nhỏ khơng đặc trưng và cuối cùng thành những chất thải (CO2, H2O,
131 NH3 ) để thải ra mơi trường. Năng lượng được tích trữ trong ATP và được sử dụng cho nhiều phản ứng thu năng lượng khác. Hai quá trình đồng hĩa và dị hĩa xảy ra liên tục liên quan với nhau và khơng tách rời nhau. Quá trình đồng hĩa là quá trình địi hỏi năng lượng cho nên đồng thời phải xảy ra quá trình dị hĩa để cung cấp năng lượng cho quá trình đồng hĩa. Do đĩ sự trao đổi chất và trao đổi năng lượng là hai mặt của một vấn đề. Tùy theo kiểu trao đổi chất, người ta chia sinh vật ra thành hai nhĩm: nhĩm sinh vật tự dưỡng và nhĩm sinh vật dị dưỡng. Nhĩm sinh vật tự dưỡng bao gồm tất cả các sinh vật tự tổng hợp chất dinh dưỡng cần thiết cho chúng. Để tồn tại và phát triển, nhĩm này chỉ cần H2O, CO2, muối vơ cơ và nguồn năng lượng. Cĩ hai hình thức tự dưỡng. Đĩ là hình thức tự dưỡng quang hợp và hình thức tự dưỡng hĩa hợp. Hình thức đầu thể hiện ở cây xanh và vi khuẩn tía, vi khuẩn lưu huỳnh vốn dùng quang năng để tổng hợp chất hữu cơ. Hình thức sau được thể hiện ở một số vi khuẩn nhận năng lượng trong quá trình oxy hĩa các chất vơ cơ. Nhĩm sinh vật dị dưỡng bao gồm các sinh vật khơng cĩ khả năng tự tổng hợp chất dinh dưỡng từ các chất vơ cơ mà phải sống nhờ vào các chất dinh dưỡng của nhĩm sinh vật tự dưỡng tổng hợp nên. Như vậy, quá trình trao đổi chất của thế giới sinh vật liên quan chặt chẽ với nhau, tạo nên chu kỳ trao đổi chất chung. Glucid, lipid, O2 Ánh sáng protein Sinh vật Sinh vật tự dưỡng dị dưỡng CO2, H2O, muối chứa Nitrogen Ngồi cách chia trên, cũng theo kiểu trao đổi chất, người ta chia sinh vật thành hai nhĩm lớn: nhĩm hiếu khí (aerob) và nhĩm kỵ khí (anaerob).
132 Nhĩm hiếu khí là kiểu trao đổi chất mà các quá trình oxy hĩa cĩ sự tham gia của oxy khí quyển. Nhĩm kỵ khí là kiểu trao đổi chất mà các quá trình oxy hĩa khơng cĩ sự tham gia của oxy khí quyển. Đa số các sinh vật thuộc nhĩm hiếu khí. Nhĩm kỵ khí chỉ là một phần nhỏ của nhĩm sinh vật dị dưỡng bậc thấp. Tuy vậy, giữa các cơ thể hiếu khí và kỵ khí khơng cĩ ranh giới rõ ràng. Sinh vật hiếu khí biểu hiện rõ ràng nhất như người chẳng hạn cũng cĩ thực hiện một phần các quá trình trao đổi chất theo con đường kỵ khí (ví dụ như mơ cơ) Quá trình chuyển hĩa trong cơ thể sống mang tính thống nhất và riêng biệt. Các con đường chuyển hĩa lớn trong mọi cơ thể động vật, thực vật đơn bào, đa bào đều theo những giai đoạn tương tự nhau. Tuy vậy, nếu đi sâu vào từng mơ, cơ quan, cá thể từng lồi thì lại cĩ những nét riêng biệt. Các phản ứng hĩa học trong cơ thể xảy ra liên tục ở pH trung tính, 370C, dưới tác dụng xúc tác của enzyme. Ở động vật, các quá trình chuyển hĩa được điều khiển bởi hệ thống thần kinh 8.2. Khái niệm chung về trao đổi năng lượng và năng lượng sinh học Trao đổi chất luơn gắn liền với trao đổi năng lượng. Đối với cơ thể người, động vật và phần lớn vi sinh vật thì nguồn năng lượng duy nhất là năng lượng hĩa học của các chất trong thức ăn. Trong cơ thể, các chất dinh dưỡng chủ yếu và quan trọng là glucid, lipid và protein đều bị oxy hĩa. Lipid và glucid đi vào cơ thể bị “đốt cháy” sẽ sinh ra CO2, H2O và NH3, chất này tác dụng với CO2 chuyển thành carbamid (ure). Các quá trình oxy hĩa khử sinh học thuộc các phản ứng dị hĩa cĩ ý nghĩa rất quan trọng. Chúng khơng những chỉ là nguồn năng lượng quan trọng dùng để thực hiện các phản ứng tổng hợp khác nhau mà cịn là nguồn cung cấp các hợp chất trung gian dùng làm nguyên liệu cho các phản ứng tổng hợp và đĩng vai trị hết sức quan trọng trong việc liên hợp các quá trình trao đổi chất. Để tồn tại và phát triển, cơ thể cần phải được cung cấp liên tục năng lượng. Trong hoạt động sống của mình, cơ thể biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác và sự biến đổi năng lượng trong cơ thể sống cũng tuân theo các quy luật vật lý như sự biến đổi năng lượng ở giới vơ cơ.
133 So sánh về năng lượng sinh học và năng lượng kỹ thuật ta thấy cĩ những đặc điểm sau: thứ nhất, cơ thể khơng sử dụng nhiệt năng thành cơng cĩ ích được; thứ hai, sự giải phĩng năng lượng trong cơ thể là dần dần, từng bậc; thứ ba, sự giải phĩng năng lượng đi kèm theo sự phosphoryl hĩa nghĩa là năng lượng giải phĩng được cố định lại ở liên kết este với phosphoric acid trong phân tử ATP vốn được gọi là liên kết cao năng. Từ dạng năng lượng trung gian này (ATP) mà cĩ thể dự trữ và sử dụng năng lượng vào các hoạt động sống; thứ tư, cĩ thể khơng sử dụng được năng lượng tự do của tất cả các loại phản ứng phát nhiệt mà nguồn năng lượng duy nhất cơ thể sử dụng là của các quá trình oxy hĩa. 8.2.1. Sự biến đổi năng lượng tự do Sự thay đổi về đại lượng của năng lượng tự do là một chỉ tiêu quan trọng nhất của hiệu ứng năng lượng tức là hệ số của tác dụng hữu hiệu của phản ứng. Cĩ thể định nghĩa năng lượng tự do là lượng năng lượng mà ở một nhiệt độ nhất định nào đĩ cĩ thể biến thành cơng. Tế bào cĩ thể tạo ra và duy trì được cấu trúc trật tự và phức tạp của mình nhờ chúng liên tục tiếp nhận năng lượng tự do từ mơi trường ở dạng quang năng hoặc hĩa năng và biến hĩa nĩ thành các dạng năng lượng sinh học để phục vụ cho các quá trình hoạt động sống. Sự biến hĩa, tích lũy và sử dụng năng lượng sinh học xảy ra song song với sự chuyển hĩa vật chất và tuân thủ các nguyên tắc của nhiệt động học. Những biến đổi năng lượng tự do của hệ thống phản ứng được ký hiệu bằng UG cĩ giá trị là Kcal/mol. Đại lượng của UG là hiệu số giữa lượng năng lượng tự do của trạng thái cuối (sau phản ứng) G2 và năng lượng tự do của trạng thái đầu (trước phản ứng) G1. Nếu UG 0 (cĩ giá trị dương), phản ứng thu nhiệt, muốn thực hiện phản ứng cần phải cung cấp năng lượng. Các phản ứng thu nhiệt chỉ cĩ thể được thực hiện cùng với các phản ứng tỏa nhiệt, nghĩa là việc tăng năng lượng tự do chỉ cĩ thể cĩ được do các phản ứng liên hợp khác tiến hành với việc giảm năng lượng tự do. Các quá trình cơ bản gắn liền với hoạt động sống của cơ thể, nhiều kiểu làm việc của tế bào, các phản ứng tổng hợp đều là những phản ứng thu nhiệt luơn luơn liên hợp với các phản ứng tỏa nhiệt. UG được tính theo cơng thức:
134 UG = UG 0 + RT lnK trong đĩ UG0 là sự biến đổi năng lượng tự do tiêu chuẩn của phản ứng ở 250C khi nồng độ của tất cả các chất phản ứng là 1 mol và áp suất là 101,3 KPa (1atm), R là hằng số khí, T là nhiệt độ tuyệt đối, K là hằng số cân bằng của phản ứng bằng [C]c. [D]d /[A]a[B]b tức là nồng độ của các chất tham gia phản ứng A + B ' C + D; a, b, c, d là số lượng phân tử A, B, C, D tham gia phản ứng. Trong hệ thống sinh học, khi tính giá trị UG0 cần chú ý đến pH, ở nồng độ H+ là 1 mol, pH=0. Trạng thái ion hĩa của nhiều hợp chất sinh học bị biến đổi khi pH thay đổi. Vì vậy, để thuận tiện cho việc tính tốn, xem trạng thái chuẩn của pH là 7 và ký hiệu sự thay đổi năng lượng tự do chuẩn ở pH 7,0 là UG0'. 8.2.2. Liên kết cao năng và vai trị của ATP Các liên kết hĩa học giữa các nguyên tử đều là những tác nhân mang chủ yếu của năng lượng tự do trong các chất hữu cơ. Vì vậy, trong việc biến tạo của các liên kết hĩa học trong phân tử, mức năng lượng tự do của hợp chất sẽ thay đổi. Xét về mặt năng lượng trong các hợp chất hữu cơ cĩ hai loại liên kết: Liên kết thường và liên kết cao năng (liên kết giàu năng lượng). Liên kết thường là liên kết mà khi phân giải hoặc tạo thành nĩ cĩ sự biến đổi năng lượng vào khoảng 3 Kcal trên một phân tử gam (Ví dụ như liên kết este); cịn đối với liên kết cao năng sự biến đổi này lớn hơn nhiều từ 7 – 12 kcal/mol. Trong các hoạt động sống của cơ thể sinh vật, các quá trình tổng hợp các chất phân tử lớn từ các chất đơn giản, vận chuyển tích cực các chất qua màng tế bào, quá trình vận động v.v. luơn địi hỏi năng lượng tự do. Trong hệ thống sống cần cĩ các chất, các hệ thống nhận năng lượng tự do từ các quá trình này chuyển đến cho các quá trình khác. ATP là chất phổ biến giữ vai trị này, là chất cĩ vai trị trung tâm trong trao đổi năng lượng ở tế bào và cơ thể sống, là chất liên kết hoặc cĩ thể nĩi là mắt xích giữa hệ thống sử dụng năng lượng và hệ thống sản sinh ra năng lượng. Trong phân tử ATP cĩ 3 gốc phosphate, 1 gốc kết hợp với gốc ribose qua liên kết este, 2 liên kết giữa 3 gốc phosphate là liên kết anhydric. Đĩ là các liên kết cao năng được ký hiệu bằng dấu “ ~ ”. ATP ( Adenosine Tri Phosphate) được biểu thị một cách khái quát như sau: Adenosine - P ~ P ~ P (trong đĩ P là các gốc phosphoric acid ). Khi cắt đứt các liên kết cao năng này, sẽ giải phĩng số năng lượng lớn gấp hơn 2 lần so với liên kết este: 0 ATP + H2O ' ADP + H3PO4 UG = -7 Kcal/mol ( P )
135 0 ATP + H2O ' AMP + H4P2O7 UG = - 8,5 Kcal/mol ( P ~ P ) Nếu tiếp tục thủy phân liên kết este của AMP để tạo thành adenosine và phosphate vơ cơ, năng lượng tự do được giải phĩng của phản ứng này thấp hơn nhiều. Sự chuyển hĩa tương hỗ giữa ATP và ADP cĩ vai trị đặc biệt quan trọng trong quá trình trao đổi năng lượng của hệ thống sống. Trong đa số trường hợp thường thấy phosphore hoặc sulphure tham gia tạo thành liên kết cao năng (Bảng 8.1). Bảng 8.1. Một số dạng liên kết cao năng thường gặp Dạng liên kết Kiểu liên kết Cĩ trong các chất UG0 ( Kcal/mol) - Anhydrid phosphate ATP, GTP - 7 (pyro phosphate) ~ O ~ ADP, GDP - 7 P P - Acyl phosphate - 10 O ~ 1,3Diphosphoglyceric P O acid R – C – O ~ P Aminoacyl-AMP - 7 - Enol phosphate Phosphoenol - 12,8 R – C – O ~ P Pyruvic acid CH2 - Amid phosphate Creatin phosphate - 10,5 N ~ P ( phosphoguanidin) Arginin phosphate R – C – NH ~ P NH - Thioeste Acetyl coenzyme A - 8,8 C ~ S O Acyl coenzyme A R – C ~ S – R’
136 8.3. Quá trình oxy hĩa khử sinh học Cĩ thể định nghĩa quá trình oxy hĩa khử là quá trình trao đổi điện tử. Sự oxy hĩa là sự tách một hay nhiều điện tử, ngược lại sự khử oxy là sự thu điện tử. Tất cả các chất tham gia vào quá trình oxy hĩa khử ở cơ thể sống đều cĩ khả năng nhường hoặc thu điện tử. Đĩ chính là khả năng oxy hĩa khử. Song song với sự oxy hĩa cĩ sự khử oxy vì điện tử được chuyển từ chất bị oxy hĩa sang chất bị khử: - 2e L 2+ 3+ - Ví dụ: 2Fe + Cl2 J 2Fe + 2Cl Đại lượng đặc trưng cho khả năng oxy hĩa khử của mỗi chất gọi là thế năng oxy hĩa khử. Cĩ thể tính được thế năng oxy hĩa khử theo cơng thức sau: RT [dạng oxy hĩa] (1) E'n= E'o + ln nF [ dạng khử] Trong đĩ: E’n là thế năng oxy hĩa khử của một chất nhất định trong những điều kiện nhất định. E’0 là thế năng oxy hĩa khử ở các điều kiện tiêu chuẩn ( nồng độ của hai dạng bằng nhau) R là hằng số khí, T là nhiệt độ tuyệt đối, F là trị số Faraday Bảng 8.2 trình bày E’0, hiệu điện thế oxy hĩa khử UE’0 và năng lượng tự o do UG của mỗi hệ. Thế năng oxy hĩa khử cịn dùng để tính năng lượng tự do (ΔGo) được giải phĩng ra trong qúa trình oxy hĩa khử theo phương trình: o ΔG = -nF.ΔE'o (2) (Các ký hiệu đã được giải thích ở cơng thức tính thế năng oxy hĩa khử và liên quan đến bảng 8.2 ở trên) * Tiến trình của sự oxy hĩa sinh học: Sự phân giải chất dinh dưỡng và giải phĩng năng lượng của tế bào (sự dị hĩa) cĩ thể được chia thành 3 giai đoạn cơ bản: Ở giai đoạn đầu: các hợp chất cao phân tử bị thủy phân thành các chất đơn giản cĩ phân tử nhỏ hơn: các glucid (tinh bột, glucogen v.v ) thành các
137 monosaccharid (glucose), các protein thành các amino acid, các lipid thành các acid béo. Ở giai đoạn thứ hai: biến những chất đơn giản thành những chất 2 carbon là acetyl CoA (CH3 - CO∼SCoA) (thiếu). Acetyl CoA được coi là sản phẩm thối hĩa của các chất glucid, lipid và protein. Nĩ được hình thành do sự β-oxy hĩa acid béo, do sự oxy hĩa của khoảng một nửa số α-amino acid cũng như do sự oxy hĩa hiếu khí glucose. Bảng 8.2. Thế năng oxy hĩa tiêu chuẩn của một số hệ thống Phosphoryl UGo E (volt) UE’ hĩa Hệ thống oxy hĩa khử o 0 (kcal/pH7, pH7, 30oC (volt) 30oC) ADP→ ATP + Điện cực hydro 2H / H2 -0,42 NAD+/ NADH + H+ -0,32 FAD/ FADH2 -0,10 +0,22 -10,1 1 Cytochrome b Fe3+/ Fe2+ +0,04 +0,14 -6,4 3+ 2+ Cytochrome c1 Fe / Fe +0,23 +0,19 -8,7 1 Cytochrome c Fe3+/ Fe2+ +0,26 +0,03 -1,4 Cytochrome a Fe3+/ Fe2+ +0,29 +0,03 -1,4 3+ 2+ Cytochrome a3 Fe / Fe +0,55 +0,26 -12,0 1 2- Điện cực oxy 1/2 O2 / O +0,81 +0,26 -12,0 +1,13 -52,0 3 Ở giai đoạn thứ ba: Acetyl CoA được hình thành ở giai đoạn thứ hai sẽ bị oxy hĩa hồn tồn trong chu trình Szent-Gyưrgyi-Krebs (chu trình citrat) để hình thành CO2, H2O và giải phĩng năng lượng. Phần lớn năng lượng được giải phĩng ra ở giai đoạn thứ ba này (khoảng 2/3) Trong giai đoạn thứ hai và thứ ba khoảng 30-40% năng lượng hĩa học được biến thành nhiệt, hơn 60% năng lượng này được sử dụng để tổng hợp các hợp chất cao năng.
138 Trong chu trình citrat, các hydrogen tách ra sẽ được oxy hĩa qua chuỗi hơ hấp để tạo nên năng lượng và H2O. Năng lượng giải phĩng được tích trữ ở các phân tử ATP. Tồn bộ quá trình cĩ thể được minh họa bằng sơ đồ trên hình 8.3. Thức ăn glucid lipid protein glucose Acid béo Amino acid Acetyl CoA CO2 Chu trình citrat ATP 1/2O2 H2→NAD→FAD→CoQ→Cytb→Cytc1→Cytc→Cyta→Cyta3 2H+ O¯¯ ADP+P H2O Hình 8.3. Tiến trình oxy hĩa sinh học 8.4. Chuỗi hơ hấp tế bào và sự phosphoryl hĩa oxy hĩa 8.4.1. Chuỗi hơ hấp tế bào Chuỗi hơ hấp tế bào là một hệ thống các enzyme xúc tác vận chuyển H+ và eletron từ cơ chất đến phân tử oxygen để tạo H2O. Trong tế bào, oxygen là chất oxy hĩa vạn năng, cịn các phân tử hữu cơ khác nhau đĩng vai trị chất cho điện tử. Ở đây, điện tử và ion hydrogen của phân tử cơ chất khơng chuyển trực
139 tiếp cho oxygen khơng khí mà được chuyển dần qua một chuỗi phức tạp nhiều mắt xích, bao gồm các hệ enzyme oxy hĩa khử, cĩ thế năng oxy hĩa khử nằm trong khoảng giữa thế năng oxy hĩa khử của cơ chất và của oxygen. Các hệ enzyme này được sắp đặt theo một trật tự tăng dần thế năng oxy hĩa khử tạo thành một chuỗi, gọi là chuỗi hơ hấp hay chuỗi vận chuyển điện tử của tế bào. Vai trị của chuỗi hơ hấp là oxy hĩa từng bậc hydrogen của cơ chất đến H2O. Cơ chế hoạt động của chuỗi hơ hấp tế bào cĩ thể tĩm lược như sau: Chất cho nguyên tử hydrogen là NADH + H+ hoặc trong một số trường hợp là FADH2. Nguyên tử hydrogen sẽ được chuyển tới hệ coenzyme Q (CoQ) thơng qua hệ trung gian flavoprotein chứa sắt và lưu huỳnh. Tiếp theo hai điện tử của nguyên tử hydrogen được tách ra và đi vào hệ thống vận chuyển điện tử theo trình tự các cytochrome b-c1-a-cytochromeoxydase (a3), cuối cùng điện tử được chuyển cho oxygen. Nguyên tử oxygen bị khử (ở trạng thái ion hĩa) sẽ kết hợp với 2H+ (proton) để tạo ra phân tử nước. Quá trình chuyển hydrogen và điện tử ở trong chuỗi hơ hấp cĩ thể phân thành 4 giai đoạn: - Giai đoạn 1: Thơng thường hydrogen được tách từ cơ chất bởi dehydrogenase cĩ coenzyme NAD+(hoặc NADP +). Hydrogen của cơ chất gắn vào NAD+, cơ chất từ dạng khử chuyển thành dạng oxy hĩa và NAD+ từ dạng oxy hĩa biến sang dạng khử. Mỗi cơ chất cĩ một dehydrogenase đặc hiệu tương ứng: + + AH2 + NAD → A + NADH +H (Trong đĩ AH2 và A là cơ chất dạng khử và dạng oxy hĩa) NADH khơng thể tự oxy hĩa bởi oxygen được, tức là khơng thể trực tiếp chuyển hydrogen cho oxygen mà phải chuyển sang cho dehydrogenase khác cĩ coenzyme là FMN hoặc FAD. - Giai đoạn 2: NADH (hoặc NADPH) bị oxy hĩa bởi dehydrogenase. Enzyme này là một flavoprotein cĩ coenzyme là FMN hoặc FAD. Hai eletron + được chuyển từ NADH + H tới FMN (hoặc FAD) cho FMNH2 (hoặc FADH2): + + NADH + H + FMN→ NAD + FMNH2 NADH dehydrogenase cũng chứa sắt, chất này cĩ lẽ giữ vai trị vận chuyển eletron. sắt khơng tham gia vào một nhĩm hem nào. NADH dehydrogenase là một protein chứa sắt khơng thuộc hem.
140 + - Giai đoạn 3: H và eletron được chuyển từ FMNH2 tới coenzyme Q là một dẫn xuất quinone, cịn được gọi là ubiquinon (UQ). Coenzyme Q là một chất tác dụng chuyển vận khá linh hoạt eletron giữa flavoprotein và hệ thống cytochrome. Ubiquinon cĩ thể nhận 1 hoặc 2e- và tạo ra semiquinone (UQH-) - hoặc ubiquinol (UQH2). Đặc tính này cho phép nĩ làm cầu nối vận chuyển e từ chất cho 2e- sang chất nhận 1e-. Ngồi ra, vì phức UQ nhỏ và kỵ nước, nên nĩ dễ dàng di chuyển trong lớp lipid đơi của màng ty thể làm con thoi vận chuyển e- giữa các phức vận chuyển e- cồng kềnh khác trong màng ty thể. - Giai đoạn 4: Các enzyme vận chuyển eletron từ CoQH2 đến oxygen. Đĩ là hệ thống cytochrome, nĩ giữ vai trị trung tâm trong hơ hấp tế bào. Mỗi cytochrome là một protein enzyme vận chuyển electron cĩ chứa nhĩm ngoại hem. Ở các phân tử cytochrome, nguyên tử sắt liên tục đi từ trạng thái sắt hai (Fe2+) - dạng khử tới trạng thái sắt ba (Fe3+) - dạng oxy hĩa trong quá trình chuyển vận eletron. Nhĩm hem chuyển vận một eletron; ngược lại với NADH, flavin và coenzyme Q là những chất chuyển vận hai electron. Cĩ 5 cytochrome giữa CoQ và O2 trong chuổi chuyển vận electron. Thế năng Oxy hĩa khử của chúng tăng theo thứ tự: cytb, cytc1, cytc, cyta, cyta3. Cấu trúc và tính chất của các Cytochrome này khác nhau. Nhĩm phụ của Cytochrome b, c1, c là protoporphyrin cĩ sắt, thường gọi là hem. Cytochrome a và a3 là những thành phần cuối của chuỗi hơ hấp tế bào, chúng ở dạng một phức chất gọi là Cytochrome oxydase. Electron được chuyển tới phần + Cytochrome a của phức chất, rồi tới Cytochrome a3 cĩ chứa đồng (Cu ) dạng khử trong quá trình vận chuyển electron, cĩ lẽ nĩ tham gia xúc tác vận chuyển electron từ hem A của Cytochrome a3 tới oxygen. Quá trình vận chuyển electron qua hệ thống Cytochrome được tĩm lược như sau: 2e- + 2 cytb Fe3+ → 2 cytb Fe2+ 2+ 3+ 3+ 2+ 2 cytb Fe + 2 cytc1 Fe → 2 cytb Fe + 2 cytc1 Fe 2+ 3+ 3+ 2+ 2 cytc1 Fe + 2 cytc Fe → 2 cytc1 Fe + 2 cytc Fe 2+ 3+ 3+ 2+ 2 cytc Fe + 2 cyta Fe → 2 cytc Fe + 2 cyta Fe 2+ 3+ 3+ 2+ 2 cyta Fe + 2 cyta3 Fe → 2 cyta Fe + 2 cyta3 Fe 3+ 3+ 2- 2 cyta3 Fe + 1/2 O2 → 2 cyta3 Fe + 1/2 O
141 Tồn bộ chuỗi hơ hấp tế bào từ cơ chất dạng khử AH2 tới oxygen phân tử qua NAD, flavoprotein, coenzyme Q, hệ thống Cytochrome được trình bày ở hình 8.4. AH2 A NAD NADH + H+ ATP ADP + P FADH2 (FMNH2) FAD (FMN) CoQ CoQH2 2Fe2+ 2cytb 2Fe3+ ATP ADP + P 3+ 2+ 2Fe 2cytc1 2Fe 2+ 3+ + 2Fe 2cytc 2Fe 2H 2Fe3+ 2cyta 2Fe2+ ATP ADP + P 2+ 3+ 2Fe 2cyta3 2Fe H2O 2- 1/2O2 1/2O Hình 8.4. Chuỗi hơ hấp tế bào Kết quả của chuỗi hơ hấp tế bào thơng thường là H2O, nhưng vẫn cĩ trường hợp tạo thành gốc superoxyd (O¯2) và hydrogenperoxyd (H2O2). Đây là các chất độc đối với tế bào vì chúng tấn cơng các acid béo khơng no cấu tạo lipid màng tế bào gây sự biến chất của cấu trúc màng. Theo các số liệu thực nghiệm thì vị trí tạo thành O2¯ chính là vùng CoQ - cytochrome b do quá trình tự oxy hĩa của cibi-semiquinone. Như vậy, thường xuyên cĩ sự rị rỉ 1 điện tử ở trong ty thể và ty thể sử dụng khoảng 1 - 2% số lượng electron vận chuyển đến cytochrome oxydase để tạo thành O¯2.
142 Superoxyd dismutase chứa Mn (Mn.SOD) cĩ mặt trong matrix chỉ chuyển được khoảng 80% O¯2 do sự rị rỉ điện tử thành H2O2. 20% O¯2 tạo thành được chuyển vào cytoplasme, ở đây superoxyd dismutase của cytoplasme (SOD) cùng hợp tác với các hệ thống bảo vệ khác sẽ phân hủy tiếp. Cĩ thể biểu thị các quá trình trên như sau: - O2 + e → O¯2 (gốc superoxyd ) + SOD 2O¯2 + 2H H2O2 + O2 C-ase 2H2O2 2H2O + O2 SOD và C-ase là các enzyme chống oxy hĩa (antioxydant enzymes), bảo vệ tế bào chống lại các gốc tự do độc hại. Như vậy, quá trình vận chuyển hydrogen đến oxygen tạo ra H2O, thực chất là một quá trình trao đổi electron (cho và nhận) một cách liên tục. Bản chất của nĩ là một quá trình oxy hĩa khử. Vì vậy, người ta gọi hơ hấp tế bào là oxy hĩa khử sinh học. Một điều cần lưu ý thêm là: chuỗi hơ hấp tế bào đã trình bày là chuỗi hơ hấp tế bào bình thường, nhưng trong một số trường hợp, chuỗi cĩ thể kéo dài hoặc ngắn hơn phụ thuộc vào thế năng oxy hĩa khử của cơ chất. Quan niệm hiện đại về hơ hấp tế bào cịn bổ sung thêm nhiều chi tiết của quá trình hơ hấp tế bào kinh điển như đã trình bày. Những dạng di chuyển điện tử và hydrogen cịn phụ thuộc vào trạng thái cơ chất đến các phức hợp khác nhau. 8.4.2. Sự phosphoryl hĩa oxy hĩa Quá trình tổng hợp ATP là quá trình phosphoryl hĩa: ADP + H3PO4 → ATP Đây là quá trình cần năng lượng. Như chúng ta đã biết, mối liên kết cao năng trong ATP chứa năng lượng tự do là 7Kcal/mol nên để tổng hợp được ATP từ ADP theo phản ứng trên cần cung cấp năng lượng tương đương 7Kcal/mol. Nguồn năng lượng cung cấp cho quá trình phosphoryl hĩa rất khác nhau. Sự phosphoryl hĩa quang hĩa là quá trình tổng hợp ATP ở lục lạp thể nhờ năng lượng ánh sáng xảy ra trong quang hợp. Sự phosphoryl hĩa oxy hĩa là quá trình tổng hợp ATP ở ty thể nhờ năng lượng thải ra trong các phản ứng oxy hĩa khử. Theo quan niệm hiện nay, sự phosphoryl hĩa oxy hĩa là quá trình hình thành ATP bằng cách chuyển electron và proton trong chuỗi hơ hấp tế bào. Sự tạo thành ATP trong chuỗi hơ hấp tế bào được thể hiện ở hình 8.4. Theo
143 phương trình (2) cần cĩ sự chênh lệch thế năng oxy hĩa khử giữa các chất tham gia trong chuỗi hơ hấp tế bào vào khoảng 0,152 volt để tạo thành một phân tử ATP 0 ' Δ 7 Δ = G = = 0,152volt Eo nF 2.23,06 Trong chuỗi hơ hấp cĩ 3 điểm tương hợp giữa sự hơ hấp với sự phosphoryl hĩa: 1) giữa NADH với flavoprotein; 2) giữa cytochrome b và c1; 3) giữa cytochrome a và cytochrome oxydase (hình 8.4.). Điều đĩ cĩ nghĩa là proton và electron đựoc chuyển từ NADH + H+ tới oxygen tạo được 3 điểm phosphoryl hĩa, cịn proton và electron được chuyển trong chuỗi hơ hấp tế bào từ FADH2 chỉ cĩ 2 điểm phosphoryl hĩa. Mối tương quan P/O (tỉ số P/O) là số phân tử phosphate vơ cơ đượoc chuyển thành dạng hữu cơ đối với sự tiêu thụ một nguyên tử oxygen. Tỉ số này biểu thị sự tương quan giữa quá trình phosphoryl hĩa và sự oxy hĩa khử tế bào, được gọi là chỉ số . Như vậy cĩ thể nĩi rằng sự phosphoryl hĩa oxy hĩa qua hệ thống vận chuyển điện tử của chuỗi enzyme hơ hấp là con đường chủ yếu đối với các sinh vật hiếu khí nhằm khai thác năng lượng của các hợp chất hữu cơ một cách hữu hiệu nhất để phục vụ cho các hoạt động sống của mình.
144 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt 1. Nguyễn Hữu Chấn, 1983. Enzyme và xúc tác Sinh học. Nxb Y học, Hà Nội. 2. Nguyễn Hữu Chấn, Nguyễn Thị Hà, Nguyễn Nghiêm Luật, Hồng Bích Ngọc, Vũ Thị Phương, 2001. Hĩa sinh. Nxb Y học, Hà Nội. 3. Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng, 2000. Hĩa sinh học. Nxb Giáo dục, Hà Nội. 4. Lê Dỗn Diên, 1975. Hĩa sinh thực vật. Nxb Nơng nghiệp, Hà Nội 5. Nguyễn Tiến Thắng, Nguyễn Đình Huyên, 1998. Giáo trình sinh hĩa hiện đại. Nxb Giáo dục, Hà Nội 6. Nguyễn Xuân Thắng, Đào Kim Chi, Phạm Quang Tùng, Nguyễn Văn Đồng, 2004. Hĩa 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. Hĩa sinh Cơng nghiệp, Nxb KH&KT, Hà Nội. Tài liệu tiếng nước ngồi 1. Farkas G. 1984. Nưvényi anyagcsereélettan. Akadémiai Kiadĩ Budapest. 2. Fehér J. - Verekei A., 1985. Szabad Gyưk Reakciĩk Jeléntősége az orvostudományban. Medicina Kưnyv Kiadĩ Budapest. 3. Karlson. P., 1972. Biokémia. Medicina Kưnyv Kiadĩ Bydapest. 4. Lehninger A. L., 2004. Principle of Biochemistry, 4th Edition. W.H Freeman, 2004. 5. Stryer L., 1981. Biochemistry. W.H.Freeman and company. San Francisco.
145 Chương 9 Sự trao đổi saccharide 9.1. Sự phân giải saccharide 9.1.1. Sự phân giải polysaccharide và disaccharide Ngồi biện pháp dùng acid để phân giải thì polysaccharide và disaccharide cịn cĩ thể bị phân giải bởi sự thủy phân hay bởi quá trình phosphoryl- phân (phosphorolysis). Sự thủy phân như phân giải tinh bột thành glucose, maltose hay dextrin tùy thuộc vào tính chất của enzyme: α-amylase chỉ cắt liên kết α- D-glucosidic-1,4 cĩ khả năng cắt khoảng giữa, β-amylase cũng chỉ cắt liên kết 1,4 nhưng cĩ khả năng cắt bắt đầu từ đầu khơng khử,γ -amylase đặc biệt được tổng hợp từ vi sinh vật cĩ khả năng cắt liên kết 1,4 và enzyme loại trừ (khử) sự phân nhánh (debranching enzyme, cĩ họat tính glucosidase) cắt dây nối 1,6 trong amylopectin và glycogen. Các polysaccharide bị thủy phân bởi cac enzyme tương ứng khác như cellulose là cellulase, pectin là pectinase, Với các disaccharide sẽ bị phân giải thành các monose nhờ các enzyme tương ứng như sucrose bởi sucrase để tạo thành glucose và fructose, maltose bởi maltase để tạo thành 2 phân tử glucose Quá trình phosphoryl- phân (phosphorolysis) là quá trình tạo glucose-1-P nhờ enzyme phosphorylase (glycogen phosphorylase hay phosphorylase tinh bột) với sự hiện diên của ion phosphate. Phosphoryl- phân khác với sự thủy phân liên kết glucosidic là năng lượng giải phĩng được dùng cho sự tạo liên kết ester trong glucose-1-P (Hình 9.1.) Enzyme phosphorylase cĩ coenzyme: Pyridoxal phosphate, nhĩm phosphate tấn cơng như chất xúc tác acid, tấn cơng liên kết glucosidic bằng Pi . Phosphorylase tấn cơng vào đầu khơng khử của glycogen (hay amylopectin) đến khi cách chổ phân nhánh 4 đơn vị glucose thì ngừng lại. Chúng sẽ họat động trở lại sau khi enzyme loại trừ (khử) sự phân nhánh (debranching enzyme) thực hiện chức năng transferase và glucosidase. (Hình 9.2.) Các disaccharide cũng cĩ thể bị phosphoryl-phân (phosphorolysis) bởi enzyme tương ứng để tạo ra một dẫn xuất phosphate của monose đồng thời giải phĩng monose thứ hai. Ví dụ maltose phosphorylase chuyển hố maltose thành glucose-1-P và glucose.
146 Đầu khơng cĩ tính khử Chuỗi glycogen (glucose)n Đầu khơng cĩ tính khử Hình 9.1. Sự phosphoryl-phân để tạo glucose-1-phosphate 9.1.2. Sự oxy hố monosaccharide Dưới tác động của hệ thống nhiều enzyme khác nhau cĩ trong ty thể, các monosaccharide bị oxy hĩa để tạo ra CO2, H2O, các hợp chất cao năng và các sinh chất trung gian khác cần cho các quá trình hĩa sinh xảy ra trong cơ thể. Sản phẩm tạo thành phụ thuộc vào điều kiện mơi trường:
147 Đầu khơng khử liên kết α 1-6 Enzyme loại trừ sự phân nhánh Enzyme loại trừ sự phân nhánh Hình 9.2: Sự phân giải glycogen bằng glycogen phosphorylase 9.1.2.1. Quá trình phân giải kỵ khí( glycolysis) Quá trình này cịn được gọi là quá trình Embden-Meyerhof-Parnas, đây là quá trình chuyển hĩa hexose thành pyruvate trong điều kiện khơng cĩ oxy, cĩ thể khái quát sự chuyển hĩa qua hai giai đọan gồm nhiều phản ứng trên hình 9.3. Phản ứng 1: Glucose được phosphoryl hĩa ở C6 để cho sản phẩm glucose-6-P, nguồn phosphate là ATP.
148 Trong điều kiện tế bào đây là phản ứng một chiều, được xúc tác bởi enzyme hexokinase. Kinase là tên chung được dùng cho các enzyme xúc tác chuyển gốc phosphate từ ATP cho các chất nhận, lớp phụ của transferase . Hexokinase khơng những xúc tác sự phosphoryl hĩa glucose mà cịn xúc tác sự phosphoryl hĩa các hexose khác như fructose, manose. Hexokinase, cũng như các kinase khác cần Mg2+ cho hoạt tính của nĩ vì cơ chất thật của enzyme khơng phải là ATP4- mà là ATP2- Hexokinase phổ biến ở tất cả các loại tế bào. Tế bào gan trưởng thành cĩ chứa hexokinase gọi là hexokinase D hay glucokinase đặc hiệu cho glucose, khác với các dạng khác về động học và tính chất điều hịa. Phản ứng 2: Chuyển hĩa glucose-6-P thành fructose-6-P Enzyme phosphohexose isomerase xúc tác sự chuyển hĩa đồng phân glucose-6-P thành fructose-6-P, biến một aldose thành một ketose.
149 Phản ứng mồi thứ 1 Phản ứng mồi thứ 2 Sự tách của đường phosphate 6C thành đường phosphate 3C Sự oxy hĩa và sự phosphoryl hĩa Phản ứng thứ 1 tạo ATP Phản ứng thứ 2 tạo ATP (sự phosphoryl hĩa ở mức cơ chất Hình 9.3. Quá trình đường phân (glycolysis)
150 Phản ứng 3: Phosphoryl hĩa fructose-6-P thành fructose1,6 biphosphate Trong điều kiện của tế bào phản ứng do PFK-1 xúc tác là phản ứng một chiều. Ở vi sinh vật, sinh vật đơn bào(protista) và hầu hết hay tất cả thực vật đều cĩ 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 và dihydroxy acetonphosphate. Aldolase của mơ động vật cĩ xương khơng cần cation hĩa trị 2, nhưng nhiều aldolase của vi sinh vật cần Zn2+ cho họat động của chúng.
151 Glycogen, tinh bột, disaccharide, hexose đi vào pha chuẩn bị (preparatory phase) được thể hiện rõ ở hình 9.4. Phản ứng 5: Chuyển hĩa nội phân tử triose phosphate Chỉ một trong hai triose phosphate là aldose: 3-P glyceraldehyde tham gia tiếp vào quá trình đường phân. Nhưng dihydroxyaceton-P cĩ thể được chuyển hĩa thành 3-P glyceraldehyde nhờ triose phosphate isomerase.
152 Glycogen; tinh bột Hình 9.4: Mối liên quan giữa quá trình đường phân và một số saccharide Phản ứng 6: Oxy hĩa 3-P glyceraldehyde thành 1,3 biphosphoglycerate Xúc tác cho phản ứng này là enzyme 3-P glyceraldehyde dehydrogenase, cĩ coenzyme NAD+, trong trung tâm hoạt động cĩ nhĩm -SH Cơ chế phản ứng đã được nghiên cứu đầy đủ:
153 Sau khi tạo phức hợp E-S và NADH+H+, là phức khơng bền nên khi cĩ mặt phosphate vơ cơ nĩ sẽ tạo thành 1,3 biphosphoglycerate và giải phĩng enzyme ở trạng thái tự do. Hình 9.5: Cơ chế tác động của glyceraldehyde 3 phosphate dehydrogenase Phản ứng 7: Trong phản ứng này gốc phosphate cao năng của 1,3 biphosphoglycerate chuyển cho ADP để tạo ATP ( oxy hĩa phosphoryl hĩa mức cơ chất) và 3P glycerate
154 Phản ứng 8: Chuyển hĩa 3P glycerate thành 2P glycerate (chuyển gốc P nội phân tử) nhờ enzyme phosphoglycerate mutase cần Mg2+ cho hoạt động của nĩ. Đây là phản ứng thuận nghịch:
155 Cơ chế: Phản ứng 9: 2P glycerate bị loại nước để tạo thành phosphoenolpyruvate, là phản ứng thuận nghịch được xúc tác bởi enzyme enolase. Phản ứng 10: Chuyển nhĩm phosphate từ phosphoenolpyruvate đến ADP, phản ứng được xúc tác bởi pyruvat kinase, để tạo ATP và pyruvate. Pyruvat kinase bị kìm hãm bởi ATP, khi nồng độ ATP cao thì nĩ gây kìm hãm dị khơng gian. Ở động vật cĩ xương sống pyruvat kinase cĩ ít nhất 3 isozyme, hơi khác nhau trong phân bố ở các mơ và trong việc đáp ứng đối với những chất điều hịa (modulator) .
156 Từ pyruvate, tuỳ thuộc mỗi cơ thể, điều kiện mơi trường cĩ thể chuyển hĩa thành các sản phẩm khác nhau 2 Pyruvate (kị khí) (kị khí) 2 Ethanol + 2CO2 (hiếu khí) 2 Lactate (lên men rượu ở nấm men ) (lên men lactate) 2 Acetyl-CoA Chu trình citric acid 4CO2 + 4H2O (Động vật, thực vật và nhiều tế bào vi sinh vật trong điều kiện hiếu khí). Từ pyruvate cĩ thể cĩ 3 khả năng phân giải như trên, ngồi ra nĩ cịn là nguồn để tổng hợp một số chất khác mà ta khơng đề cập ở đây. Trong điều kiện kị khí, pyruvate cĩ thể lên men tạo lactic acid: Dưới tác dụng của lactate dehydrogenase, pyruvate bị khử thành lactic acid. Phản ứng này xảy ra trong mơ cơ động vật sẽ tạo thành L-lactic acid,
157 cịn trong quá trình lên men do vi sinh vật gây ra (lên men sữa chua, muối dưa, cà ) sẽ tạo thành D-lactic acid. Lên men rượu: Nấm men và một số vi khuẩn khác cĩ thể chuyển hĩa pyruvate thành ethanol và CO2. Quá trình trải qua 2 bước Trong bước 1, pyruvate bị khử cacboxyl-hĩa vốn được xúc tác bởi enzyme pyruvate decarboxylase, enzyme này cần Mg2+ và cĩ coenzyme là TPP. Bước 2, acetaldehyde bị khử thành ethanol với NADH+H+ được tạo ra từ sự oxy hĩa khử 3 P glyceraldehyde. 9.1.2.2. Quá trình phân giải háo khí glucose. Chu trình Krebs Cĩ thể chia quá trình này ra làm 4 giai đoạn chính: - Phân giải glucose thành pyruvate (xem quá trình đường phân). - Chuyển hĩa pyruvate thành acetyl- CoA. - Oxy hĩa acetyl- CoA thơng qua chu trình Krebs (chu trình citric acid). - Oxy hĩa các coenzyme khử qua chuổi hơ hấp(xem phần khái niệm về sự trao đổi chất). - Chuyển hĩa pyruvate thành acetyl-CoA(hiếu khí)
158 - Oxy hĩa acetyl-CoA qua chu trình Krebs: Do trong chu trình cĩ mặt các sản phẩm trung gian là các di- và tricarboxylic nên chu trình Krebs cịn cĩ tên là chu trình tricarboxylic, hay chu trình citric acid. Chu trình Krebs bao gồm 8 phản ứng sau (Hình 9.6). Phản ứng 1: Là phản ứng trùng hợp acetyl-CoA và oxaloacetate để tạo thành citrate. Năng lượng cần cho sự trùng hợp do sự phân giải liên kết cao năng trong acetyl-CoA cung cấp. Phản ứng 2: Citrate bị biến đổi thành isocitrate, là quá trình thuận nghịch được xúc tác bởi enzyme aconitase. Cis-aconitate thường khơng tách khỏi enzyme, ở tế bào thường tạo isocitrate vì isocitrate sẽ được chuyển hĩa tiếp theo trong chu trình, dù cân bằng ở pH= 7,4, nhiệt độ 25oC chỉ cĩ it hơn 10% isocitrate. Isocitrate cĩ nhĩm H-C-OH, mà chỉ 2 nguyên tử hydro ở vị trí này mới dễ dàng tách khỏi cơ chất để kết hợp với coenzyme NAD+ hoặc NADP+.
159 Phản ứng 3: Kết quả của sự oxy hĩa dưới tác dụng xúc tác của enzyme isocitrate dehydrogenase là 2 nguyên tử hydro được chuyền cho NAD(P)+ và 1 nguyên tử C được tách ra khỏi cơ chất dưới dạng CO2. Phản ứng 4: Sản phẩm α ketoglutarate vừa bị oxy hĩa vừa bị khử carboyl hĩa dưới tác dụng xúc tác của phức enzyme α-ketoglutarate + dehydrogenase. Giống như phản ứng 3, NADH+H , CO2 và succinyl CoA được tạo thành. Phức α-ketoglutarate dehygrogenase
160 Phản ứng 5: Năng lượng trong liên kết cao năng của succinyl CoA được dùng để tạo ATP thơng qua GTP. Đây là chặng phản ứng duy nhất của chu trình Krebs xảy ra sự tích lũy năng lượng trong ATP. Phản ứng 6: Ở đây cĩ sự kìm hãm cạnh tranh enzyme giữa succinate và malonate. Coenzyme khử FADH2 qua chuỗi hơ hấp tạo ATP. Phản ứng 7: Là phản ứng hydrate hĩa fumarate để tạo malate dưới tác dụng của enzyme fumarase. Trạng thái chuyển tiếp Carbanion Fumarase cĩ tính đặc hiệu rất cao, xúc tác sự hydrate hĩa nối đơi của fumarate (dạng trans) mà khơng tác động lên maleate( đồng phân dạng cis của fumarate).
161 Phản ứng 8: Malate tạo ra ở phản ứng 7 sẽ tiếp tục bị oxy hĩa để cho ra oxaloacetate, enzyme xúc tác cho phản ứng này là malate dehydrogenase. Như vậy 1 vịng chu trình đã khép kín, oxaloacetate được tạo ra ở đây khác với oxaloacetate mở đầu của phản ứng 1 về thành phần carbon, oxaloacetate mới được bổ sung 2 carbon từ acetyl-CoA. Oxaloacetate mở đầu của phản ứng 1 cĩ 2 carbon tham gia tạo CO2 ở phản ứng 3 và 4. Ý nghĩa của quá trình đường phân và chu trình Krebs 1/ Là các đường hướng phân giải tạo ra các sản phẩm trung gian để tạo thành các cơ chất khác nhau cần cho sự sống. 2/ Tạo các coenzyme khử và ATP. Việc tạo ra năng lượng, sử dụng năng lượng và coenzyme khử qua quá trình đường phân (glycolyis) và chu trình Krebs được tĩm tắt như sau: Glucose→glucose 6-phosphate -1 ATP Fructose 6-phosphate → fructose 1,6-bisphosphate -1 ATP 2 Glyceraldehyde 3-phosphate → 2 1,3-bisphosphoglycerate 2 NADH 2 1,3-Bisphosphoglycerate → 2 3-phosphoglycerate 2 ATP 2 Phosphoenolpyruvate → 2 pyruvate 2 ATP 2 Pyruvate → 2acety-CoA 2 NADH 2 Isocitrate → 2 α-ketoglutarate 2 NADH 2 α-Ketoglutarate → 2 succinyl-CoA 2 NADH 2 Succinyl-CoA → 2 succinate 2 ATP (hoặc 2 GTP) 2 Succinate → 2 fumarate 2 FADH2 2 Malate → 2 oxaloacetate 2 NADH
162 Chu trình citric acid Hình 9.6. Sơ đồ tổng quát của chu trình citric acid Ở thực vật và một số vi khuẩn cịn cĩ đường hướng khác trong việc chuyển hĩa acetyl-CoA. Các phản ứng của sự chuyển hĩa này tạo nên chu trình gọi là chu trình glyoxylate. Giữa chu trình này và chu trình Krebs cĩ những giai đọan giống nhau (hình 9.7).
163 Chu trình Glyoxylate Hình 9.7. Tĩm tắt chu trình glyoxylate 9.1.2.3. Chu trình pentose phosphate Là sự phân giải trực tiếp glucose 6 Phosphate khơng qua quá trình đường phân, gồm 2 giai đoạn oxy hĩa và tái tạo hexose phosphate. Pentose phosphate (hexose monophosphate) gây ra sự oxy hĩa và sự khử carboxyl hĩa C1 của glucose 6 Phosphate, khử NADP+ thành NADPH và pentose phosphate. NADPH cần cho các phản ứng sinh tổng hợp và pentose phosphate cần cho sự tổng hợp nucleotid và nucleic acid. Pha thứ nhất của pentose phosphate là qúa trình oxy hĩa glucose 6 Phosphate để tạo ribulose 5 phosphate và khử NADP+ thành NADPH. Pha thứ hai (nonoxidative) chuyển hĩa pentose phosphate thành glucose 6 Phosphate và bắt đầu chu trình trở lại.
164 Hình 9.8. Sơ đồ pha thứ nhất của chu trình pentose phosphate Trong pha thứ hai, các phản ứng được xúc tác bởi transaldolase và transketolase.
165 Hình 9.9. Sơ đồ pha thứ hai của chu trình pentose phosphate
166 9.2. Sự tổng hợp saccharide 9.2.1. Sự tổng hợp saccharide đơn giản. Quá trình quang hợp Cây xanh cĩ thể hấp thụ CO2, khử nĩ thành saccharide. Đây là quá trình cần cĩ sự tham gia của ánh sáng và diệp lục . Ta cĩ thể khái quát quá trình quang hợp bằng phản ứng sau: ánh sáng 6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2 Chlorophyll Quá trình quang hợp gồm hai giai đoạn và cĩ chức năng riêng: Giai đoạn 1: Xảy ra quá trình quang phân ly nước đồng thời giải phĩng oxy phân tử: + 2H2O 4 H +O2 ánh sáng Cùng chlorophill và hệ thống chuyền điện tử, ATP sẽ được tổng hợp từ ADP và H3PO4. Vì vậy người ta cịn gọi quá trình này là sự phosphoryl hĩa quang hợp hay quang phosphoryl hĩa. Theo Arnon, hình như điện tử bị tách ra khỏi clorophyll a khi được kích họat bởi photon nĩ sẽ đi theo hai con đường khác nhau: Con đường quang phosphoryl hĩa vịng xảy ra ở hệ quang hĩa I, điện tử xuất phát từ P700 qua hệ thống chuyền điện tử rồi trở lại P700. Con đường này chỉ cho phép tổng hợp ATP. Con đường quang phosphoryl hĩa khơng vịng xảy ra khi cĩ sự tham gia của hệ quang hố I và II, Con đường này cho phép tổng hợp ATP và NADPH2. Khi mất điện tử, chlorophyll của hệ I tiếp tục nhận điện tử ở hệ II qua các khâu chuyền trung gian . Điện tử của phân tử sắc tố hệ II được bổ sung từ H2O. Như vậy con đường đi của điện tử trong quá trình này khơng khép kín và được gọi là quá trình quang phosphoryl hĩa khơng vịng (hình9.10). Giai đoạn 2: khử CO2 thành saccharide nhờ NADPH và ATP được tổng hợp ở giai đoạn 1. Tùy theo cơ chế, người ta phân biệt:
167 Hệ quang hĩa I Hệ quang hĩa II Ánh sáng Phức cyt b Ánh sáng Phức Mn tách H2O Hình 9.10 : Sơ đồ tĩm tắt quá trình vận chuyển điện tử ở quang phosphoryl hố khơng vịng Chu trình Calvin ( chu trình C3): Chu trình cố định CO2 này do M. Calvin và cộng sự tìm ra năm 1951 và được gọi là chu trình Calvin hay chu trình C3. Đầu tiên phân tử CO2 kết hợp với ribulose 1,5 biphosphate để tạo 2 phân tử 3-phosphoglycerate. Hai phân tử 3-phosphoglycerate được
168 phosphoryl hĩa nhờ enzyme 3-phosphoglycerate kinase xúc tác tạo thành 1,3-biphosphoglycerat. Chất này bị khử dưới tác dụng của 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
169 Tinh bột Hình 9.12 : Sự tổng hợp đường và tinh bột ở tế bào thực vật Nhờ tác dụng đồng phân hĩa của triose phosphate isomerase: glyceraldehyde 3-phosphate tạo thành dihydroxyacetone phosphate. Sau đĩ cĩ sự kết hợp giữa 2 phân tử glyceraldehyde 3- phosphate và dihydroxyacetone phosphate bằng phản ứng chuyền aldose để tạo thành fructose 1,6 bi phosphate. Fructose 1, 6 biphosphate mất di 1 phosphate tạo thành fructose 6 phosphate, nĩ chính là nguyên liệu để tạo thành các hexose khác như glucose 6 phosphate. Từ các dạng đường này tổng hợp các oligosaccharide và polysaccharide khác (hình 9.12). Một phần fructose 6 phosphate chuyển hĩa thành ribulose 1,5- biphosphate, đồng thời khép kín chu trình (hình 9.13).
170 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 C3 là chu trình cơ bản nhất của thế giới thực vật xảy ra trong tất cả thực vật, dù là thực vật bậc cao hay bậc thấp, dù thực vật C3, C4 hay thực vật CAM.
171 Chu trình Hatch-Slack (chu trình C4) : Năm 1966, hai nhà khoa học là Hatch và Slack nghiên cứu và phát hiện ra ngồi chu trình Calvin, một số thực vật nhiệt đới như lúa miến, ngơ, mía, cỏ gà cĩ quá trình đồng hố CO2 theo con đường khác. Ở thực vật này sản phẩm quang hợp đầu tiên của quang hợp là oxalo acetic acid, một phân tử cĩ 4 carbon, chứ khơng phải là 3-phosphoglycerate . Chu trình cố định CO2 như vậy gọi là chu trình C4 hay chu trình Hatch-Slack và các thực vật cố định CO2 theo con đường này gọi là thực vật C4. Cĩ sự chuyên hố trong việc thực hiện chức năng quang hợp của cây C4: một loại lục lạp chuyên trách cố định CO2 với hiệu quả cao nhất, cịn một loại lục lạp chuyên khử CO2 thành các chất hữu cơ cho cây. Vì vậy mà hoạt động quang hợp của cây C4 cĩ hiệu quả hơn các nhĩm thực vật khác. Kết quả là năng suất sinh học của cây C4 thường rất cao. Tế bào Mesophyll ATP AMP CO2 NADPH2 NADP Pyruvic acid PEPA Oxalo acetic acid Malic acid Pyruvic acid Malic acid CO2 NADPH2 NADP Tinh Chu bột trình Calvin C6 Tế bào bĩ mạch Hình 9.12. Chu trình Hatch-Slack
172 Con đường cố định CO2 ở thực vật CAM(Crassulaceae Acidetabolism) Đây là con đường quang hợp thích nghi với điều kiện khơ hạn của thực vật mọng nước. Nhờ con đường quang hợp này mà khả năng chịu hạn của chúng rất cao, hơn hẳn các thực vật chịu hạn khác.Do quang hợp trong điều kiện quá khĩ khăn nên cường độ quang hợp của các thực vật nhĩm này thường thấp, năng suất sinh học khơng cao và sinh trưởng chậm hơn các thực vật khác. Quá trình cố định CO2: quá trình cố định CO2 được thực hiện vào ban đêm. Ban đêm khi nhiệt độ khơng khí giảm xuống thì khí khổng mở ra để thốt hơi nước và CO2 sẽ xâm nhập vào lá qua khí khổng mở. Quá trình tổng hợp monosaccharide (quá trình khử CO2): quá trình này diễn ra vào ban ngày khi cĩ ánh sáng hoạt hố hệ thống quang hố và khí khổng đĩng lại. Malic acid bị khử carboxyl hố để giải phĩng CO2 cung cấp cho chu trình C3. 9.2.2. Tổng hợp oligosaccharide Sự sinh tổng hợp oligosaccharide bằng phản ứng chuyền gốc glucosyl, dưới tác dụng của enzyme : glucosyl transferase, ví dụ: sucrose glucosyl Glucose 1 phosphate + fructose sucrose + H3PO4 transferase Ngồi ra dạng UDP-glucose cũng dễ dàng chuyền glucose cho fructose để tạo thành sucrose. Các dẫn xuất UDP của đường là những chất cho gốc glucosyl rất hoạt động (Hình 9.13.) Tổng hợp polysacharide cũng xảy ra bằng con đường chuyển gốc glucosyl như tổng hợp oligosaccharide . Chất cho gốc glucosyl cịn cĩ thể là oligosaccharide như maltose, sucrose Sự chuyển gốc khơng chỉ tới C4 mà tới cả C6 để tạo mạch nhánh.
173 Hình 9.13. Sự tạo thành Sucrose từ UDP - glucose và Fructose 6 - phosphate
174 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt 1. Phạm Thị Trân Châu, Trần thi Áng. 1999. Hố sinh học, NXB Giáo dục, Hà nội. 2. Đỗ Quý Hai. 2004. Giáo trình Hĩa sinh đại cương, Tài liệu lưu hành nội bộ Trường ĐHKH Huế. 3. Võ Mai Hương. 2004. Giáo trình Sinh lý thực vật, Tài liệu lưu hành nội bộ Trường ĐHKH Huế. 4. Trần Thanh Phong. 2004. Giáo trình Hĩa sinh đại cương, Tài liệu lưu hành nội bộ 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. 2. Lehninger A. L 2004. Principles of Biochemistry, 4th Edition. W.H Freeman.
175 Chương 10 Trao đổi Lipid 10.1. Sự phân giải lipid 10.1.1. Phân giải glycerid Glycerid dễ dàng bị thủy phân do sự xúc tác của các loại lipase. R1COOH H2COOCR1 H2COH lipase R2COOH HCOOCR2 + 3H2O HCOH + R3COOH H2COOCR3 H2COH Ở động vật sự thủy phân glycerid xảy ra nhanh chĩng nhờ sự tác động của muối acid mật làm nhũ tương hĩa glycerid nên dễ bị thủy phân. 10.1.2. Sự oxi hĩa acid béo Acid béo bị phân giải bằng nhiều con đường: - α oxi hĩa. - β oxi hĩa. - ω oxi hĩa. Trong đĩ con đường phổ biến và quan trọng nhất là β.oxi hĩa. 10.1.2.1. β.oxi hĩa acid béo Sự phân giải acid béo bằng cách cắt dần từng cặp C, tức là tại vị trí Cα của chuỗi carbon. Các acid béo cĩ mạch carbon chẵn và các acid béo cĩ mạch carbon lẻ cĩ cơ chế β.oxi hĩa khác nhau ở giai đoạn cuối. Acid béo no và acid béo khơng no cĩ sự khác nhau ở giai đoạn sau. * Đối với acid béo no cĩ mạch C chẵn: Quá trình β.oxi hĩa xảy ra qua nhiều phản ứng phức tạp:
176 γ β α R - CH2 – CH2 – CH2 – COOH ∼ A (Acid béo) CoA-SH ATP 1 AMP +(P-P) R.CH2 – CH2 – CH2 – CO ∼ SCoA (Acyl-CoA) FAD 2 FADH2 R-CH2 – CH = CH – CO ∼ SCoA (Enoyl-CoA) H O 2 3 R-CH2 – CHOH – CH2 – CO ∼ SCoA (β-Hydroxy-acyl-CoA) NAD 4 NADH2 R-CH2 – CO – CH2 – CO ∼ SCoA (β-Ceto-acyl-CoA) CoASH 5 CH CO ∼ SCoA R - CH3- CO ∼ SCoA 3 (Acyl-CoA) (Acetyl-CoA)
177 Các enzyme tham gia xúc tác các phản ứng trên là: 1. Acyl-CoA-Synthetase. 2. Acyl-CoA-Dehydrogenase. 3. Enoyl-CoA-Hydratase. 4. Hydroxy-acyl-Thiolase. Qua một chu kỳ phân cắt, phân tử acid béo ngắn bớt đi 2 carbon, kết quả cuối cùng của các chu kỳ phân cắt β.oxi hĩa của acid béo là các phân tử acetyl-CoA . Nếu phân tử acid béo cĩ n nguyên tử C thì sẽ tạo ra n/2 phân tử acetyl-CoA. Các phân tử acetyl-CoA tiếp tục bị phân giải qua chu trình Krebs để tạo CO2 và H2O. Về mặt năng lượng, quá trình β.oxi hĩa tạo nên nguồn năng lượng lớn cung cấp cho các họat động sống của tế bào. Mỗi lần phân cắt bớt 2C sẽ tạo nên 1 NADH2, 1FADH2, qua chuỗi hơ hấp sẽ tổng hợp được 5 ATP. Đồng thời mỗi phân tử Acetyl-CoA bị phân giải thơng qua chu trình Krebs sẽ tạo ra được 12ATP. Từ đĩ người ta tính được tổng số ATP được tạo ra do sự phân giải phân tử acid béo no, mạch cacbon chẵn cĩ n nguyên tử C là: ⎡ ⎛ n ⎞ ⎤ ⎡n ⎤ ⎢5 ⎜ −1⎟ − 1⎥ + ⎢ .12⎥ ATP ⎣ ⎝ 2 ⎠ ⎦ ⎣2 ⎦ * Đối với acid béo no cĩ mạch C lẻ Đối với các acid béo no cĩ mạch C lẻ, quá trình phân giải theo phương thức β.oxi hĩa xảy ra giống với acid béo no cĩ mạch carbon chẵn nĩi ở trên nhưng sau lần phân cắt cuối cùng khơng phải tạo ra 2 phân tử Acetyl-CoA mà cho ta 1 phân tử Acetyl-CoA và 1 phân tử propionyl-CoA. Từ propionyl-CoA lại tiếp tục biến đổi thêm một chu kỳ β.oxi hĩa nữa để tạo ra 1 phân tử CO2 và 1 phân tử Acetyl-CoA.
178 CH3 – CH2 – CO ∼SCoA FAD FADH 2 CH2 = CH – CO∼SCoA H2O CH2OH – CH2 –CO∼SCoA CoA-SH CH OH – CH – COOH 2 2 NAD NADH 2 CHO – CH2 –COOH CoASH NAD NADH2 CO2 CH3CO ∼SCoA Các enzyme xúc tác giống như ở chu trình trước * Đối với acid béo khơng no.
179 Với acid béo khơng no, quá trình phân giải xảy ra tùy vị trí nối đơi. - Nếu vị trí nối đơi đúng vào vị trí β thì quá trình xảy ra giống như đối với acid béo no nhưng khơng xảy ra phản ứng 2. - Nếu vị trí nối đơi ở vị trí khác thì trước khi phân giải, acid béo khơng no bị khử để thành acid béo no tương ứng rồi tiếp tục phân giải theo con đường β.oxi hĩa. Acid béo khơng no Acid béo no FADH2 FAD 10.1.2.2. α.oxi hĩa Phương thức α.oxi hĩa là sự phân giải acid béo xảy ra tại vị trí Cα, mỗi lần phân giải mạch C bị cắt ngắn đi 1 nguyên tử C và tạo ra CO2. 3 2 1 R – CH2 – CH2 - COOH H2O2 CO2 3 2 R – CH2 – CHO NAD NADH2 3 2 R – CH2 – COOH
180 10.1.3. Phân giải glycerin Sau khi giải phĩng khỏi lipid đơn giản, glycerin tiếp tục được biến đổi bằng nhiều cách để tạo nên các sản phẩm khác nhau CH 2OH CH2OH CHO ATP ADP NAD NADH2 CHOH CHOH CHOH CH 2OH CH2O P CH2OP Aldehyde phospho Glycerin Glycerol-P glycerol (ALPG) Từ ALPG biến đổi thành pyruvic acid như trong quá trình đường phân, sau đĩ pyruvic acid bị phân giải tiếp thơng qua chu trình Krebs để tạo CO2 và H2O. Như vậy sự phân giải glycerin xảy ra qua quá trình đường phân và qua chu trình Krebs để tạo sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O. Năng lượng giải phĩng trong quá trình phân giải này được dùng để tổng hợp ATP cung cấp cho các họat động sống của tế bào. 10.1.4. Phân giải glycero phospho lipide Các glycero phospholipide bị phân giải qua nhiều giai đoạn tạo ra nhiều sản phẩm trung gian tham gia vào nhiều quá trình trao đổi chất. Quá trình phân giải này do nhiều enzyme thủy phân xúc tác. - Phospholipase A1 thuỷ phân liên kết giữa glycerin và acid béo thứ nhất. - Phospholipase A2 thủy phân liên kết giữa glycerin và acid béo thứ hai. - Phospholipasse B thủy phân cả hai loại liên kết trên. - Phospholipase C thủy phân liên kết giữa glycerin và H3PO4. - Phospholipase D thủy phân liên kết giữa H3PO4 với choline, ethanolamine hay serine. Phối hợp tác dụng của tất cả các loại enzyme nĩi trên, phân tử glycero phospholipid sẽ bị phân giải thành glycerin, acid béo, H3PO4 và choline (hay ethanolamine, serine)
181 A1 R1CO O – CH2 A2 R2CO O – CH O C D H C O 2 P CH2 – CH2 N – (CH3)3 OH 10.2. Tổng hợp lipid 10.2.1. Tổng hợp acid béo Acid béo được tổng hợp từ acetyl-CoA. Sự tổng hợp acid béo no và khơng no ở giai đoạn đầu giống nhau. Trước hết acid béo no được tổng hợp sau đĩ hình thành acid béo khơng no bằng cách oxi hĩa các acid béo tương ứng. Quá trình tổng hợp acid béo từ acetyl-CoA xảy ra ngược với quá trình β.oxi hĩa. Từ các acetyl-CoA được nối dần lại với nhau thành chuỗi trung bình rồi dẫn đến việc tạo thành Stearic acid (cĩ 18C) là loại acid béo no chủ yếu của các mơ. Từ Stearic acid cĩ thể tiếp tục kéo dài thêm chuỗi carbon tạo nên các acid béo cĩ mạch C dài hơn. Trước hết từ acetyl-CoA và CO2 kết hợp với nhau để tạo nên malonyl-CoA. Quá trình này được xúc tác bởi acetyl-CoA-carboxylase. H2O CH3COCoA COOH – CH2 – CO SCoA CO2 Acetyl-CoA ATP ADP Malonyl - CoA Để tiến hành phản ứng ngưng tụ giữa acetyl-CoA với malonyl- CoA cần cĩ sự tham gia của một loại protein cĩ vai trị vận chuyển nhĩm acyl, đĩ là protein vận chuyển gốc acyl-ACP. COOH – CH – CO ~ SCoA 2 COOH – CH2 – CO ~ SACP Malonyl - CoA ACPSH CoASH Malonyl - ACP
182 Tiếp theo acetyl-SACP và malonyl-SACP ngưng tụ với nhau với sự xúc tác của enzyme acyl-synthetase. Khi các phân tử acetyl-ACP và malonyl-ACP tác dụng với enzyme acyl-synthetase sẽ xảy ra sự chuyển các gốc acetyl và malonyl từ nhĩm SH của ACP sang nhĩm SH của enzyme đồng thời CO2 được giải phĩng. COOH – CH2 – CO ~ SACP + COOH – CO ~ SACP CH3CO CH2 – CO ~ SACP + CO2 + ACP - SH Từ CH3COCH2CO ~ SACP (aceto acetyl-ACP) bị khử thành β.hydroxy-butyryl-ACP. CH3CO CH2 CO ~ SACP CH3CHOHCH2CO ~ SACP β.hydroxy butyryl - ACP NADH2 NAD Phản ứng tiếp theo là β.hydroxy butyryl-ACP bị khử nước để tạo nên crotonyl-ACP. CH3CHOHCH2CO ~ SACP CH3CH = CHCO ~ SACP (Crotonyl-ACP) Crotonyl-ACP bị khử tạo nên butyryl-ACP CH3CH = CHCO ~ SACP CH3CH2CH2CO ~ SACP Butyryl-ACP NADH NAD 2 Từ butyryl-ACP tiếp tục một chu kỳ mới ngưng tụ với malonyl- ACP để cho ta phântử cĩ 6 nguyên tử C. Quá trình cứ tiếp diễn như vậy cho đến khi tạo ra đủ số C cần thiết của acid béo, sau đĩ Acyl-ACP này sẽ biến đổi trở lại thành Acyl-CoA và cuối cùng tạo ra acid béo no bằng cách cắt bỏ CoA-SH.
183 Như vậy acid béo cĩ mạch cacbon chẵn với n nguyên tử C thì quá ⎛ n ⎞ trình sẽ diễn ra ⎜ −1⎟ chu kỳ. ⎝ 2 ⎠ Nếu acid béo cĩ mạch C lẻ thì trong các lần nối dài mạch C nĩi trên, lần đầu tiên khơng phải phản ứng xảy ra từ 2 Acetyl CoA mà xảy ra từ Acetyl-CoA và propionyl-CoA để tạo ra acyl-CoA cĩ 5 nguyên tử C. Từ đĩ cứ mỗi chu kỳ lại nối thêm 1 phân tử Acetyl-CoA làm cho phân tử acid béo dài thêm 2 nguyên tử cacbon để cuối cùng tạo nên phân tử acid béo cĩ số nguyên tử cacbon lẻ. Các acid béo khơng no được tạo ra từ các acid béo no tương ứng bằng cách bị oxy hĩa bới FAD. Acid béo no Acid béo khơng no FAD FADH2 10.2.2. Tổng hợp glycerin Glycerin được tổng hợp bằng nhiều con đường. Con đường phổ biến là từ các sản phẩm trung gian của quá trình trao đổi glucose là AlPG và PDA biến đổi thành AlPG Glycero-P Glycerin + H3PO4 NADH2 NAD PDA Glycero-P Glycerin + H PO 3 4 NADH NAD 2 10.2.3. Tổng hợp glyceride Từ các acid béo và glycerin đã được tổng hợp sẽ tạo thành glyceride theo các phản ứng sau đây:
184 R1-CO-SCoA Glycerin Glycero-P Phosphatidic acid + 2CoA-SH R2-CO-SCoA ATP ADP R3-CO-SCoA Photphatidic Diglyceride Triglyceride acid H3PO4 10.2.4. Tổng hợp glycero phospholipid Từ photphatidic acid sẽ tạo nên các loại phospho lipid khác nhau
185 Photphatic acid CTP CDP-diacyl-glyceride Glycero - P Serine Phosphatidyl Phosphatidyl Phosphatidyl serine inosid Glycero-P CO2 H3PO4 Phosphatidyl - ethanolamine Phosphatidyl Glycerin 3CH 3 Phosphatidyl - choline 10.2.5. Tổng hợp sterid Sterid được tạo nên bởi sterol và acid béo. Nguyên liệu để tổng hợp sterol là acetyl-CoA. Quá trình sinh tổng hợp sterol cĩ thể chia làm 3 giai đoạn với nhiều phản ứng rất phức tạp. - Giai đoạn chuyển acetyl-CoA thành mevalonic acid. - Giai đoạn tổng hợp squalen. - Giai đoạn chuyển squalen thành cholesterol.
186 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt 1. Trần Thị Ân (chủ biên). 1979. Hĩa sinh đại cương (tập I, II). NxB KH&KT. Hà Nội. 2. Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng. 2000. Hĩa sinh học. Nxb Giáo dục. Hà Nội. 3. Nguyễn Bá Lộc. 1997. Hĩa sinh. Nxb Giáo dục. Hà Nội Tài liệu dịch 1. Musil J.G., Kurz .K., Novakava .O. 1982 Sinh hĩa học hiện đại theo sơ đồ. Nxb Y học. Hà Nội. Tài liệu tiếng nước ngồi 1. Farkas G. 1984. Nưvényi anyagcsereélettan. Akadémiai Kiadĩ Budapest. 2. Lehninger A. L., 2004. Principle of Biochemistry, 4th Edition. W.H Freeman.
187 Chương 11 Trao đổi Protein 11.1. Sự phân giải protein và amino acid 11.1.1. Phân giải protein Thủy phân là con đường phân giải protein phổ biến ở thực vật và động vật. Quá trình thủy phân protein xảy ra tại lysosome, nơi chứa nhiều enzyme thủy phân protein là protease. Quá trình thủy phân xảy ra qua 2 giai đoạn - Nhờ peptid-peptido hydrolase, protein bị thủy phân thành các đoạn peptid ngắn. - Nhờ peptid-hydrolase thủy phân tiếp các peptid thành amino acid. Kết quả chung là protease Protein n.amino acid +(n-1)H O 2 Ở động vật cĩ vú, sự phân giải protein đầu tiên do tác động của pepsin. Tế bào niêm mạc dạ dày tiết ra pepsinogen. Nhờ pepsin và HCl của dịch dạ dày, pepsinogen biến đổi thành pepsin họat động và pepsin họat động sẽ thủy phân protein thành amino acid. 11.1.2. Phân giải amino acid Cĩ nhiều con đường phân giải amino acid. 11.1.2.1. Khử amine Bằng nhiều con đường khác nhau, các amino acid bị khử nhĩm amine tạo ra các sản phẩm tương ứng. - Khử amin bằng các enzyme khử. Nhờ enzyme khử xúc tác, amino acid bị khử thành acid tương ứng và giải phĩng NH3. Dehydrogenase R – CH – COOH R – CH2 – COOH + NH3 NH- Kh2 ử amin bằ ngNADH+H con đườ+ ng oxi NAD hĩa.+
188 Nhờ amino acid oxydase, amino acid bị oxi hĩa để tạo ceto acid tương ứng và NH3 R – CH – COOH oxydase + O2 R – CO – COOH + NH 3 NH2 - Khử amine bằng con đường thủy phân. Nhờ tác dụng của enzyme thủy phân hydrolase, amino acid bị thủy phân tạo oxiacid tương ứng và NH3 hydrolase R – CH – COOH + H2O R CHOHCOOH + NH3 NH2 Ngồi các con đường đĩ ra, aspartic acid cịn bị khử amin bằng con đường khử nội phấn tử nhờ enzyme dezaminase xúc tác Dezaminase COOH – CH2 – CH – COOH COOH CH = CH - COOH + NH3 NH2 Sản phẩm của con đường khử amine các amino acid là các loại acid tương ứng và NH3. 11.1.2.2. Khử carboxyl Sự loại carboxyl của amino acid là cách phân giải amino acid rất phổ biến nhờ decarboxylase xúc tác R – CH – COOH Decarboxylase R – CH2 NH2 + CO2 NH2 Sản phẩm tạo ra là các amine, đĩ là các chất cĩ họat tính sinh học cao cĩ vai trị trong quá trình trao đổi chất, các hoạt động sinh lý của cơ thể như histamine. 11.1.2.3. Chuyển vị amine Bằng con đường chuyển vị nhĩm amine sang cho một cetoacid, amino acid biến đổi thành ceto acid tương ứng, phản ứng nhờ enzyme vận chuyển nhĩm amin xúc tác amino transferase
189 R1 – CH – COOH R – C – COOH Amino - 2 R1 – C – COOH R2 – CH – COOH + + NH2 O Transferase O NH2 Phản ứng này thực hiện 2 chức năng: vừa phân giải 1 amino acid thành ceto acid, đồng thời tổng hợp mới amino acid khác từ ceto acid tương ứng. Trừ threonine và lysine, tất cả các amino acid cịn lại đều cĩ thể tham gia vận chuyển nhĩm amine để biến đổi thành các ceto acid tương ứng, ví dụ: CH3 – CH – COOH + COOH – CH2 – CO – COOH NH 2 CH3 – CO – COOH + COOH – CH3 – CH – COOH NH2 11.1.2.4. Sự biến đổi các sản phẩm của quá trình phân giải amino acid Các đường hướng phân giải amino acid trình bày ở trên đã tạo ra nhiều loại sản phẩm. Các sản phẩm này tiếp tục được biến đổi để tạo sản phẩm cuối cùng. - Các chất hữu cơ tiếp tục biến đổi bằng cách oxy hĩa như quá trình phân giải acid béo để tạo acetyl-CoA, từ đĩ tham gia vào chu trình Krebs để phân giải tiếp. - Các amine được biến đổi thành các acid tương ứng sau đĩ tiếp tục biến đổi như các acid khác R – CH2 – NH2 + O2 R – CH = NH + H2O R – CH = NH + H2O R CHO + NH3 R CHO- + O2 R COOH NH3 tiếp tục biến đổi bằng nhiều con đường để giải độc cho cơ thể vì NH3 tích lũy nhiều sẽ gây độc. + NH3 được dùng làm nguyên liệu để tổng hợp trở lại amino acid bằng con đường amine hĩa, amide hĩa (sẽ trình bày trong phần tổng hợp amino acid).
190 + NH3 bị biến đổi thành ure qua chu trình ornithine để thải ra ngồi qua con đường nước tiểu ở động vật. Chu trình ornithine chia làm 3 giai đoạn 1) Tổng hợp carbamyl-phosphate CO + NH + ATP NH2 2 3 O = C + ADP O ~ P Phản ứng được xúc tác bởi enzyme carbamyl phosphate synthetase. 2) Tổng hợp arginine. Từ carbanyl-phosphate và ornithine sẽ tạo thành citrullin bằng một phản ứng ngưng tụ. Sau đĩ 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 và fumaric acid nhờ arginino-succinate-ligase. 3) Arginine bị phân giải nhờ arginase để tạo ornithine và ure. Ure được thải ra ngồi cịn ornithine tiếp tục tham gia vào chu trình mới. Trên đây là những đường hướng chung của sự phân giải amino acid. Tuy nhiên mỗi amino acid đều cĩ con đường phân giải riêng. Các amino acid biến đổi theo các đường hướng trên đều dẫn đến việc tạo nên các sản phẩm tham gia vào chu trình Krebs để phân giải thành CO2 và H2O. 11.2. Tổng hợp amino acid 11.2.1. Amine hĩa Một số acid béo khơng no và ceto acid cĩ thể amine hĩa để tạo nên amino acid tương ứng COOH – CH – CH2 – COOH COOH – CH = CH – COOH + NH3 NH2 Fumaric acid aspartic acid COOH – CH – CH – CH – COOH COOH – CH2 – CH2 – CO– COOH + NH3 2 2 NH2 α-cetoglutaric acid glutamic acid COOH – CH2 – CO– COOH + NH3 COOH – CH2 – CH – COOH oxaloacetic acid NH2 aspartic acid
191 Về nguyên tắc, mọi amino acid đều cĩ thể được tổng hợp bằng con đường này từ các acid tương ứng. Nhưng trong tế bào chỉ cĩ 2 enzyme là glutamate dehydrogenase và pyruvate dehydrogenase cĩ hoạt độ mạnh để thực hiện xúc tác loại phản ứng trên, cịn các enzyme khác khơng cĩ khả năng xúc tác cho nên trong thực tế chỉ cĩ glutamic acid và alanin là 2 amino acid được tổng hợp bằng con đường này. 11.2.2. Amide hĩa Từ 2 loại amino acid là aspactic acid và glutamic acid do cĩ 2 nhĩm carboxyl nên cĩ thể được amide hĩa để tạo amino acid mới, dạng amide của aspactic acid và glutamic acid là asparagine và glutamine COOH – CH2 – CH – COOH O = C – CH2 – CH – COOH + NH 3 NH2 NH2 NH2 Asparagine Aspartic acid COOH – CH2 – CH2 – CH – COOH O = C – CH2 – CH2 – CH – COOH + NH3 NH2 NH2 NH2 Glutamine Glutamic acid 11.2.3. Tổng hợp amino acid nhờ ATP Quá trình tổng hợp amino acid nhờ ATP xảy ra qua 2 giai đoạn - NH3 + ATP → AMP ~ NH2 + P - P Đây là phản ứng họat hĩa nhĩm NH2 nhờ ATP. AMP ~ NH2 thực hiện phản ứng chuyển vị amine cho ceto acid để tạo amino acid tương ứng AMP ~ NH2 + R – C –COOH R – CH – COOH AMP + O NH2 Thực chất đường hướng này cũng là hình thức amine hĩa các ceto acid nhưng khơng sử dụng các dehydrogenase mà sử dụng ATP.
192 11.2.4. Chuyển vị amine Như đã trình bày ở trên (Mục 11.1.2.3) amino acid cĩ thể bị phân giải bằng con đường chuyển vị amine đồng thời với việc tổng hợp một amino acid khác. Nhờ quá trình này mà thành phần các amino acid luơn được đổi mới phù hợp với nhu cầu của cơ thể trong quá trình sống. 11.2.5. Oxim hĩa Ở một số vi sinh vật và thực vật cĩ khả năng cố định Nitơ tự do – quá trình cố định đạm. Qua quá trình cố định N2, NH2OH được hình thành làm nguyên liệu cho quá trình tổng hợp amino acid theo cách oxim hĩa. Ngồi ra ở một số vi sinh vật và ở thực vật cịn cĩ quá trình khử - nitrat (NO3 ) thành ammoniac (NH3). Trong quá trình biến đổi theo đường hướng này NH2OH được tạo thành trước khi tạo NH3. NH2OH làm nguyên liệu để tổng hợp amino acid bằng cách oxim hĩa. Quá trình oxim hĩa xảy ra qua 2 giai đoạn - Các ceto acid kết hợp với NH2OH tạo nên oxim tương ứng R – C – COOH Oximase R – C – COOH + NH2OH + H2O O NOH Ceto acid Oxim - Các oxim bị khử để tạo amino acid tương ứng Oxim dehydrogenase R – C – COOH R – CH – COOH + H2O NOH + + NH2 NADH+H NAD Ở vi sinh vật và thực vật, đây là con đường tổng hợp amino acid quan trọng. 11.3. Tổng hợp protein Quá trình tổng hợp protein là vấn đề quan trọng của sinh học phân tử. Quá trình xảy ra phức tạp với sự tham gia của nhiều thành phần.
193 11.3.1. Các thành phần tham gia tổng hợp protein 11.3.1.1. Nucleic acid Tham gia vào quá trình tổng hợp protein cĩ các loại nucleic acid với các chức năng khác nhau - DNA: mang thơng tin về cấu trúc phân tử protein theo dạng mã hĩa. Mỗi protein được mã hĩa trên 1 đoạn DNA, đĩ là gen. - RNAm: làm nhiệm vụ truyền thơng tin về cấu trúc phân tử protein từ gen sang chuỗi polypeptide. - RNAt: làm nhiệm vụ vận chuyển các amino acid từ các vùng trong tế bào đến ribosome để tiến hành tổng hợp chuỗi polypeptide tại đĩ. Đồng thời nhận biết vị trí bộ ba mã hĩa amino acid trên RNAm để đặt amino acid vào đúng vị trí của nĩ trên chuỗi polypeptide. - RNAr: cùng với protein, RNAr cấu tạo nên ribosome, nơi thực hiện quá trình tổng hợp chuỗi polypeptide. 11.3.1.2. Các enzyme Tham gia xúc tác quá trình tổng hợp protein, cĩ nhiều loại enzyme - Aminoacyl-adenilat-synthetase là enzyme xúc tác quá trình họat hĩa amino acid, phản ứng gắn amino acid vào RNAt. - Transpeptidase: xúc tác phản ứng tạo liên kết peptide để nối các amino acid lại thành chuỗi polypeptide và chuyển dịch chuỗi polypeptide trong ribosome từ vị trí P sang vị trí A. - Translocase: là enzyme xúc tác quá trình di chuyển của ribosome trên RNAm. Ngồi các enzyme chính này cịn cĩ enzyme cắt amino acid mở đầu ra khỏi chuỗi polypeptide, enzyme xúc tác sự tạo các cấu trúc khơng gian của protein 11.3.1.3. Năng lượng Quá trình tổng hợp protein cần năng lượng. Năng lượng cung cấp cho quá trình này là ATP và GTP. - ATP cung cấp năng lượng cho giai đoạn họat hĩa amino acid. - GTP cung cấp năng lượng cho giai đoạn tổng hợp chuỗi polypeptide ở ribosome. 11.3.1.4. Nguyên liệu Nguyên liệu để tổng hợp protein là các amino acid. Trong số các amino acid cĩ loại amino acid mở đầu là methionine ở Eucariote và formyl methionine ở Procariote.
194 11.3.1.5. Ribosome Ribosome là nơi tiến hành tổng hợp chuỗi polypeptide. Thành phần ribosome gồm protein và RNAr. Cấu trúc ribosome gồm 2 tiểu thể: tiểu thể lớn và tiểu thể bé. Trong ribosome cĩ 2 vùng họat động: vùng A là nơi tiếp nhận các amino acid mới cịn vùng P là nơi tạo nên chuỗi polypeptide. Ở tiểu thể bé chứa một loại RNAr, trên phân tử RNAr này cĩ 1 đoạn cĩ thành phần các nucleotide tương ứng bổ sung với đoạn khơng mã hĩa trên RNAm. Nhờ đĩ khi bắt đầu quá trình tổng hợp, RNAm đến gắn vào ribosome và đặt đúng bộ ba mở đầu của nĩ vào vị trí P nhờ sự liên kết giữa đoạn khơng mã hĩa trên RNAm với đoạn bổ sung trên RNAr. 11.3.1.6. Các yếu tố tham gia tổng hợp protein * Yếu tố mở đầu. Đĩ là những phân tử protein với chức năng tham gia vào việc kích thích sự mở đầu trong quá trình tổng hợp chuỗi poplypeptide. Ở Procariote Ở Eucariote Yếu tố Chức năng Yếu tố Chức năng IF-1 Kích thích họat động của eIF-1 Gắn với RNAm IF2, IF3 IF-2 Làm dễ dàng quá trình kết eIF-2 Làm dễ dàng sự kết hợp hợp f.Met-RNAt với tiểu Met-RNAt với tiểu thể thể bé 30S bé 40S IF-3 Gắn với tiểu thể bé 30S, eIF-3 Kết hợp với tiểu thể bé ngăn khơng để kết hợp với 40S tiểu thể lớn 50S CBP-1 Kết hợp với mũ của RNAm eIF-4a Kết hợp với RNAm eIF-5 Tách rời các yếu tố khởi đầu khỏi 40S và kết hợp với 60S eIF-6 Tách ribosome 80S thành 2 tiểu thể. * Yếu tố kéo dài Tham gia vào giai đoạn kéo dài cĩ các yếu tố: