Bài giảng Hóa sinh

Nội dung text: Bài giảng Hóa sinh

1. Bài giảng hóa sinh
2. 17 Chương 1 Saccharide Là hợp chất hữu cơ được tạo nên từ các nguyên tố: C, H, O có công thức cấu tạo chung Cm(H2O)n, thường m = n. Do có công thức cấu tạo như trên nên saccharide thường được gọi là carbohydrate - có nghĩa là carbon ngậm nước. Tuy nhiên có những saccharide có công thức cấu tạo không ứng với công thức chung nói trên ví dụ: deoxyribose (C5H10O4). Có những chất không phải là saccharide nhưng có công thức cấu tạo phù hợp với công thức chung ở trên ví dụ : acetic acid (CH3COOH). Saccharide là thành phần quan trọng trong mọi sinh vật . Ở thực vật, saccharide chiếm từ 80 - 90% trọng lượng khô, saccharide tham gia vào thành phân các mô nâng đỡ, ví dụ cellulose, hay tích trữ dưới dạng thực phẩm dự trữ với lượng lớn, ví dụ tinh bột. Ở động vật, hàm lượng saccharide thấp hơn nhiều, thường không quá 2%, ví dụ glycogen. 1.1. Monosaccharide 1.1.1. Cấu tạo và danh pháp Là chất có chứa nhiều nhóm rượu và một nhóm khử oxy (nhóm khử là nhóm carbonyl là aldehyde hay ketone). - Nhóm khử là aldehyde ta có đường aldose và có công thức tổng quát: CHO (CHOH)n CH2OH - Nhóm khử là ketone ta có đường ketose có công thức tổng quát: CH2OH C= O (CHOH)n CH2OH
3. 18 CHO - CH2OH được xem như là “monosaccharide”đơn giản nhất. Trong thiên nhiên monosaccharide có chứa từ 2 đến 7 carbon và được gọi tên theo số carbon (theo tiếng Hy Lạp) + ose Ví dụ: monosaccharide có 3C gọi là triose. Tương tự ta có tetrose, pentose, hexose, heptose. 1.1.2. Đồng phân quang học Quy ước Fischer: Fischer là người đầu tiên nêu ra nguyên tắc biểu diễn các monosaccharide bằng công thức hình chiếu của chúng. Theo đó: hình chiếu của các nguyên tử carbon bất đối (C*) và các nguyên tử C khác nằm trên một đường thẳng, nguyên tử C có số thứ tự nhỏ nhất có hình chiếu nằm trên cùng. Còn các nhóm thế có hình chiếu ở bên phải hay bên trái. Ví dụ : glyceraldehyde. Vì glyceraldehyde có 1 C* nên theo quy tắc của Van’t Hoff có 2 đồng phân (N = 2n) 1CHO 1CHO HO- 2C* -H H-2C*-OH D: -OH ở bên phải L: -OH ở bên trái 3CH2OH 3CH2OH L glyceraldehyde D glyceraldehyde. Khi phân tử monosaccharide có nhiều C* thì công thức có dạng D hay L được căn cứ vào vị trí nhóm OH của C* xa nhóm carbonyl nhất. Ví dụ : CHO CHO H-C-OH H-C-OH HO-C-H HO-C-H H-C-OH H-C-OH H-C-OH HO-C-H CH2OH CH2OH D glucose L glucose
4. 19 Chú ý: monosaccharide từ triose trở lên đều có C* trừ dihydoxy aceton CH2OH C = O CH2OH 1.1.3. Công thức vòng của monosaccharide Công thức thẳng theo Fischer như trình bày ở trên không phù hợp với một số tính chất hoá học của chúng như: một số phản ứng hoá học thường xảy ra với aldehyde không xảy ra đối với monosaccharide . Vì vậy có thể nghĩ rằng nhóm -CHO trong monosaccharide còn tồn tại dưới dạng cấu tạo riêng biệt nào đó. Mặt khác: monosaccharide có thể tạo ether với methanol tạo thành một hỗn hợp 2 đồng phân có cùng nhóm methoxy (- OCH3). Điều đó chứng tỏ trong monosaccharide còn tồn tại một nhóm -OH đặc biệt. Qua nghiên cứu Kolle cho thấy: số đồng phân thu được của monosaccharide thực tế nhiều hơn số đồng phân tính theo công thức N=2n, do đó để giải thích các hiện tượng trên, Kolle cho rằng ngòai dạng thẳng monosaccharide còn tồn tại ở dạng vòng. Sự tạo thành dạng vòng xảy ra do tác dụng của nhóm -OH cùng phân tử monosaccharide tạo thành dạng hemiacetal hay hemiketal.
5. 20 Ví dụ : cấu tạo vòng của glucose xảy ra như sau: Do sự tạo thành hemiacetal vòng mà C1 trở nên C*, nhóm -OH mới được tạo ra ở C1 là -OH glucoside. Tương tự với ketose thì C2 trở nên C*, nhóm -OH mới được tạo ra ở C2 là -OH glucoside khi tạo thành hemiketal. Cách biểu diễn công thức vòng như trên dựa vào nguyên tắc của Haworth: C và cầu nối với oxy nằm trên một măt phẳng , các nhóm thế ở công thức thẳng nằm ở bên phải thì ở công thức vòng nằm dưới măt phẳng và ngược lại. Riêng các nhóm thế của C có nhóm OH dùng để tạo cầu nối oxy thì theo quy tắc ngược lại. 1.1.4. Hiện tượng hổ biến của monosaccharide Như ta thấy, không thể giải thích được tất cả các tính chất của monosaccharide nếu ta chỉ thừa nhận một dạng cấu tạo nào đó của monosaccharide. Nên người ta cho rằng các dạng cấu tạo đó có thể đã chuyển hoá lẫn nhau. β pyranose α pyranose Dạng thẳng β Furanose α Furanose
6. 21 1.1.5. Tính chất của monosaccharide 1.1.5.1. Lý tính Các monosaccharide tan trong nước, không tan trong dung môi hữu cơ, có tính quay cực trừ biose vì không có C*. 1.1.5.2. Hoá tính a. Monose là tác nhân khử Trong môi trường kiềm, khử các ion kim loại nặng có hoá trị cao thành ion có hóa trị thấp hay các ion kim loại thành kim loại. Tính khử này do nhóm aldehyde hay nhóm ketone tạo ra và các monose biến thành acid. Ví dụ: Cu2+ bị biến đổi thành Cu+ trong phản ứng với thuốc thử Fehling, Ag+ bị biến đổi thành Ag trong phản ứng tráng gương. b. Phản ứng với các chất oxy hoá Tuỳ thuộc vào chất oxy hoá: - Chất oxy hoá nhẹ như nước brom đường aldose sẽ thành aldonic acid, với ketose phản ứng không xảy ra. - Chất oxy hoá mạnh như HNO3 đậm đặc có sự oxy hoá xảy ra ở 2 đầu cho ta di acid. - Trường hợp đặc biệt nếu ta bảo vệ nhóm -OH glucoside bằng cách methyl hóa hay acetyl hoá trước khi oxy hoá bằng nước brom, sản phẩm tạo thành là uronic acid. c. Phản ứng với chất khử Dù dạng vòng chiếm tỷ lệ rất lớn trong thành phần, dạng thẳng chiếm tỷ lệ nhỏ nhưng đủ để cho ta thấy rõ tính chất của một carbonyl thật sự. Khi bị khử: monose sẽ biến thành polyalcohol. d. Phản ứng tạo furfural Dưới tác dụng của acid đậm đặc, các aldopentose tạo thành furfural và aldohexose biến thành hydroxymethylfurfural. Các sản phẩm này khi cho tác dụng với các phenol cho màu đặc trưng như: α naphthol cho vòng màu tím (Molisch). Đây là phản ứng để phân biệt đường với các chất khác. Nếu đường 5C sẽ cho màu xanh cẩm thạch với orcinol (Bial). e. Phản ứng ester hoá Các gốc rượu của monose có khả năng kết hợp với acid để tạo thành ester. Các ester phosphate thường gặp là: Glucose-6-phosphate, fructose- 6-phosphate
7. 22 1.1.6. Các monose quan trọng 1.1.6.1. Pentose 1.1.6.2. Hexose Các hexose quan trọng như: * Glucose: còn gọi là dextrose vì làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực về phía phải. Phổ biến rộng rãi trong thực vật nhất là trong quả nho, nên còn gọi là đường nho, trong máu người có 0.8 - 1,1 g/l, những người bị bệnh đái đường có thể đến 2g/l. Các disaccharide quan trọng là saccharose, lactose, maltose và các polysaccharide quan trọng là tinh bột, glycogen. Người ta sử dụng glucose trong y học như chất tăng lực. * D - Mannose: ít gặp ở trạng thái tự do, thường gặp trong polysaccharride và glucoside * D - Galactose: là thành phần của lactose có trong sữa còn gọi là đường não tuỷ. Chúng là thành phần cấu tạo của raffinose, hemicellulose. pectine * D - Fructose còn gọi là levulose vì làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực về phía trái. Fructose còn gọi là đường quả, có ở trạng thái tự do trong trái cây chín và mật ong. Chúng là thành phần của disaccharide saccharose. Trong cơ thể ta còn thấy ở dạng ester với phosphoric acid đóng vai trò quan trọng trong trao đổi chất. Fructose có độ ngọt rất lớn, dạng α có độ ngọt bằng 1/3 dạng β.
8. 24 1.2. Oligosaccharide 1.2.1. Disaccharide Sự tạo thành disaccharide là do sự kết hợp của 2 monose cùng loại hay khác loại nhờ liên kết glucosidic. Liên kết glucosidic có thể được tạo thành giữa -OH glucoside của monose này với -OH glucoside của monose kia, hay giữa một nhóm -OH glucoside của monose này với -OH ( không phải -OH glucoside) của monose kia. Disaccharide chỉ có tính khử khi ít nhất một trong 2 nhóm -OH glucoside ở trạng thái tự do. Nghĩa là disaccharide sẽ không có tính khử khi 2 nhóm -OH glucoside liên kết với nhau. Các disaccharide quan trọng * Maltose do 2 phân tử α- D-glucose liên kết với nhau ở vị trí C1 - C4 tạo thành. Công thức cấu tạo: Maltose có nhóm -OH glucoside ở trạng thái tự do nên có tính khử. Maltose có nhiều trong mầm lúa và mạch nha (maltum) nên gọi nó là maltose. * Lactose (đường sữa) do một phần tử β D-galactose liên kết với một phân tử β D- glucose ở vị trí C1- C4. * Saccharose do một phần tử α D-glucose liên kết với một phân tử β D-fructose ở vị trí C1-C2. Do đó nó không có tính khử, còn gọi là đường mía vì có nhiều trong mía. Dễ bị thủy phân khi đun nóng.
9. 25 1.2.2. Trisaccharide Là oligosaccharide có chứa 3 monosaccharide, phổ biến trong thiên nhiên là raffinose. Công thức cấu tạo như sau: α-D-galactopyranosyl 1-2 α-D glucopyranosyl 1-2 β-D fructofuranose. Do có công thức như trên nên không có tính khử oxy. Dễ bị thủy phân, dưới tác dụng của β fructofuranosidase sẽ tạo thành fructose và melobiose với α galactosidase sẽ tạo thành galactose và saccharose. 1.3. Polysaccharide Còn gọi là glycan, tùy thành phần monose có trong polysaccharide người ta chia chúng ra làm: homopolysaccharide (chỉ chứa một lọai monosaccharide) và heteropolysaccharide (có ít nhất 2 lọai monosaccharide).
10. 26 Polysaccharide đóng vai trò quan trọng trong đời sống động vật, thực vật. Một số polysaccharide thường gặp như tinh bột, glycogen, cellulose 1.3.1. Polysaccharide thực vật 1.3.1.1. Tinh bột Là polysaccharide dự trữ của thực vật, do quang hợp tạo thành. Trong củ và hạt có từ 40 đến 70% tinh bột, các thành phần khác của cây xanh có it hơn và chiếm khoảng từ 4 đến 20%. Tinh bột không hòa tan trong nước, đun nóng thì hạt tinh bột phồng lên rất nhanh tạo thành dung dịch keo gọi là hồ tinh bột. Tinh bột có cấu tạo gồm hai phần: amylose và amylopectin, ngoài ra còn có khoảng 2% phospho dưới dạng ester. Tỷ lệ amylopectin/amylose ở các đối tượng khác nhau là không giống nhau, tỷ lệ này ở gạo nếp là lớn hơn gạo tẻ. *Amylose Chiếm 15 đến 25% lượng tinh bột, do nhiều gốc α D- glucose liên kết với nhau thông qua C1-C4 tạo thành mạch thẳng không phân nhánh. Trong không gian nó cuộn lại thành hình xoắn ốc và được giữ bền vững nhờ các liên kết hydro. Theo một số tài liệu trong amylose còn có chứa các α D- glucopyranose dạng thuyền. Amylose bắt màu xanh với iodine, màu này mất đi khi đun nóng, hiện màu trở lại khi nguội. Một đặc trưng hóa lý khác cần chú ý là nó bị kết tủa bởi rượu butylic.
11. 27 Hạt tinh bột trong lục lạp amylose * Amylopectin Cấu tạo do các phân tử α D- glucose liên kết với nhau, nhưng có phân nhánh. Chổ phân nhánh là liên kết C1-C6 glucosidic.
12. 28 1.3.1.2. Cellulose Được cấu tạo bởi những phân tử β D-glucose liên kết với nhau bằng liên kết 1-4 glucosidic. Chúng là thành phần chủ yếu của vách tế bào thực vật. Đối với người thì cellulose không có giá trị dinh dưỡng vì cellulose không bị thủy phân trong ống tiêu hóa. Một số nghiên cứu cho thấy nó có vai trò trong điều hòa tiêu hoá. Động vật ăn cỏ thủy phân được cellulose nhờ enzyme cellulase. Cellulose không tan trong nước, tan trong dung dịch Schweitzer. Khi đun nóng với H2SO4, cellulose sẽ bị thủy phân thành các phân tử β D-glucose. Cellulose có dạng hình sợi dài, nhiều sợi kết hợp song song với nhau thành chùm nhờ các liên kết hydro, mỗi chùm (micelle) chứa khỏang 60 phân tử cellulose. Giữa các chùm có những khoảng trống, khi hoá gỗ khoảng trống này chứa đầy lignin và ta xem lớp lignin này như là một lớp cement. Lignin là chất trùng hợp của coniferylic alcohol Các gốc -OH của cellulose có thể tạo ester với acid ví dụ: tạo nitro cellulose với HNO3 , tạo acetyl cellulose với CH3COOH.
13. 29 1.3.1.3. Hemicellulose Tên gọi chung cho lớp polysaccharide thường đi theo với cellulose trong thực vật. Hemicellulose không tan trong nước, tan trong dung dịch kiềm và thủy phân bằng acid dễ hơn cellulose. Khi bị thủy phân hemicellulose tạo thành một hổn hợp gồm các hexose và pentose hay chỉ một mình hexose mà thôi. Trong hemicellulose khi monose nào chiếm đa số thì hemicellulose có tên tương ứng với monose đó: Xylose chiếm đa số thì hemicellulose có tên là Xylan, Arabinose chiếm đa số thì hemicellulose có tên là Araban, Galactose chiếm đa số thì hemicellulose có tên là Galactan Xylan có nhiều trong rơm rạ, trong một số cơ quan của thực vật, galactose có nhiều trong rơm, gổ và các loại hạt. 1.3.1.4. Inulin Là polysacchride dự trữ của thực vật có trọng lượng phân tử khoảng 5000-6000, do những phân tử β D- fructose liên kết với nhau bằng liên kết 1-2 và tận cùng bằng một phân tử saccharose. Inulin được tìm thấy trong củ thược dược khoảng 40%. Người ta xử dụng inulin để sản xuất fructose. Để xác định inulin người ta thủy phân nó và xác định bằng phản ứng định tính Seliwanoff. 1.3.1.5. Pectin Là loại polysaccharide có nhiều trong quả , củ và thân cây, thành phần chính là galacturonic acid có nhóm -COOH bị methyl hóa. Người ta sử dụng rộng rãi pectin trong sản xuất keo. 1.3.2. Polysaccharide động vật 1.3.2.1. Glycogen Là polysaccharide dự trử ở động vật được tìm thấy trong gan và cơ, hiện nay còn tìm thấy trong một số thực vật như ngô, nấm. Có cấu tạo giống amylopectin nhưng phân nhánh nhiều hơn, bị thuỷ phân bởi phosphorylase ( có coenzyme là pyrydoxal phosphate), để cắt liên kết 1-6 cần enzyme debranching. Sản phẩm cuối cùng là các phân tử glucose-1-P.
14. 30 Phía ngoài glucose liên kết 1-6 Mạch chính hạt glycogen ở tế bào gan 1.3.2.2. Hyaluronic acid Có công thức cấu tạo được lập lại từ đơn vị sau: Hyaluronic acid có trọng lượng phân tử rất lớn, có thể lên đến nhiều triệu, hyaluronic acid rất phổ biến và là thành phần quan trọng của mô liên kết, được tìm thấy trong dịch khớp xương, trong thủy tinh thể mắt, nó tác dụng như một lớp cement bảo vệ bên trong tế bào để chống lại sự xâm nhập của vi khuẩn cũng như các chất lạ khác. Ở khớp xương nó làm
15. 31 cho dịch có tính trơn giúp cử động khỏi bị đau. Hyaluronic acid bị thủy phân bởi hyaluronidase, enzyme này được tìm thấy trong vi khuẩn gây bệnh, trong tinh trùng. Hyaluronidase tạo dễ dàng cho tinh trùng đi vào noãn của buồn trứng, mặt khác nó cũng là yếu tố giúp cho các chất khác và vi khuẩn gây bệnh đi vào các mô trong cơ thể. 1.3.2.3. Chondroitin Là heteropolysaccharide, thành phần không thể thiếu được ở mô xương sụn. 1.3.2.4. Heparin Heteropolysaccharide có tác dụng chống lại sự đông máu và ngăn chặn sự biến đổi prothrombin thành thrombin. GlcA2S hoặc IdoA2S 1.3.3. Một số polysaccharide phổ biến khác 1.3.3.1. Chitin Là homopolysaccharide, có ở võ sò, ốc, các loại côn trùng và ở nấm mốc. Nó có cấu tạo như sau:
16. 32 1.3.3.2. Dextran Được tìm thấy ở vi khuẩn và nấm men, cấu tạo mạch chính là α D- glucose1-6, nhánh là α 1-3 và thỉnh thoảng có nhánh α1-2 hay α1-4. Do có cấu tạo 1-6 nên đối với động vật, dextran không bị phân giãi hay bị phân giãi rất chậm.
17. 33 Dextran có độ dài và hình dạng giống albumin, người ta thường dùng nhiệt để thủy phân không hoàn toàn dextran nhằm thay thế protein của huyết tương , dung dịch 10% của nó hoàn toàn trong suốt. Trong công nghệ người ta tổng hợp dextran và được gọi là sephadex để sử dụng trong tách từng phần protein. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt 1. Phạm Thị Trân Châu, Trần thi Áng. 1999. Hoá sinh học, NXB Giáo dục, Hà Nội. 2. Đỗ Quý Hai. 2004. Giáo trình Hóa sinh đại cương, Tài liệu lưu hành nội bộ Trường ĐHKH Huế. 3. Trần Thanh Phong.2004. Giáo trình Hóa 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 Doãn Diên, 2000. Hóa sinh Công nghiệp, Nxb KH&KT, Hà Nội. Tài liệu tiếng Anh 1. Gilbert H. F. 1992. Basic concepts in biochemistry, Copyright by the Mcgraw- Hill companies, Inc. 2. Lehninger A. L. 2004. Principles of Biochemistry, 4th Edition. W.H Freeman.
18. 34 Chương 2 Lipid Cũng như saccharide, protein, lipid là chất hữu cơ phức tạp, ta có thể định nghĩa như sau: * Định nghĩa rộng: Lipid là chất tan được trong dung môi hữu cơ, không tan trong nước, định nghĩa này không phản ánh hết tính chất của các lipid vì: - Có lipid không tan được trong dung môi hữu cơ như phospholipid không tan trong aceton. - Nhưng cũng có chất không phải lipid nhưng tan được trong dung môi hữu cơ. * Định nghĩa hẹp: Lipid là ester của rượu và acid béo. Tuy nhiên có những lipid do acid béo liên kết với rượu bằng liên kết peptide. * Định nghĩa dung hoà: Lipid là những chất chuyển hoá của acid béo và tan được trong dung môi hữu cơ. Lipid rất phổ biến ở động vật cũng như ở thực vật và tồn tại dưới 2 dạng mỡ nguyên sinh chất (dạng liên kết) và dạng dự trữ (dạng tự do). - Mỡ nguyên sinh chất: thành phần của màng tế bào cũng như các bào quan khác ví dụ: ty thể, lạp thể dạng này không bị biến đổi ngay cả khi con người bị bệnh béo phì hoặc bị đói. - Dạng dự trữ (dạng tự do) có tác dụng cung cấp năng lượng cho cơ thể, bảo vệ các nội quan, là dung môi cần thiết cho một số chất khác. Căn cứ vào thành phần nguyên tố có mặt, người ta chia lipid ra làm 2 loại * Lipid đơn giản: trong phân tử chỉ chứa C, H, O. * Lipid phức tạp: ngoài C, H, O còn có một số nguyên tố khác như N, P, S. 2.1. Lipid đơn giản 2.1.1. Glycerid Glycerid là ester của rượu glycerol và acid béo, là mỡ dự trữ phổ biến ở động vật và thực vật.
19. 35 1- Stearoyl, 2- linoleoyl, 3-palmitoyl glycerol, một triacylglycerol hỗn tạp 2.1.1.1. Glycerol Là triol không màu, vị ngọt nhờn. Khi đốt glycerol hay lipid có chứa glycerol với chất hút nước sẽ tạo acrolein có mùi khét. 2.1.1.2. Acid béo Acid béo thường gặp là những acid béo có số carbon chẵn, mạch thẳng, có thể no hay không no và chuỗi C xếp theo hình chữ chi. Tuy nhiên cũng có những acid béo ngoài nhóm chức acid còn chứa những nhóm chức khác như rượu, ketone, mạch carbon có vòng hay nhánh. a. Acid béo chẵn, thẳng, no: CH3(CH2)nCOOH C4 CH3 -(CH2)2 – COOH butylic acid có nhiều trong cơ. C6 CH3 -(CH2)4 -COOH caproic acid có trong bơ, sữa dê. C8 CH3 - (CH2)6-COOH caprylic acid có trong bơ, sữa dê. C10 CH3-(CH2)8 –COOH capric acid có trong bơ, sữa dê.
20. 36 C12 n=10 lauric acid có trong dầu dừa. C14 n=12 myristic acid có trong dầu dừa. C16 n=14 palmitic acid có trong dầu động vật,thực vật. C18 n=16 stearic acid có trong dầu động vật,thực vật. C20 n=18 arachidic acid có trong dầu lạc. b. Acid béo chẵn, thẳng, không no - Chứa một nối đôi (C’): 10 9 ’ C 16 (Δ9-10): CH3-(CH2)5 -CH = CH- (CH2)7–COOH Palmitoleic acid : Tìm thấy trong dầu thực vật. ’ C 18 (Δ9-10): CH3-(CH2)7 -CH = CH- (CH2)7 –COOH Oleic acid: acid này có ba đồng phân. ’ C 18 (Δ6-7): Petroselenic acid ’ C 18 (Δ11-12): Vaccenic acid. ’ C 18 (Δ12-13): Heparic acid - Acid béo có 2 nối đôi (C’’): ’’ C 18 (Δ9-10,12-13): Linoleic acid CH3-(CH2)4 -CH = CH- CH2-CH=CH-(CH2)7-COOH Cơ thể không tổng hợp được acid này mà lấy từ ngoài vào. Ngày xưa người ta quan niệm acid này là vitamin và gọi là vitamin S. Nhưng thực chất đó là một acid béo mà cơ thể cần với một lượng lớn. - Acid béo có chứa 3 nối đôi (C’’’): C18’’’((9-10,12-13,15-16): Linolenic acid, cơ thể không tổng hợp được acid này. - Acid béo có 4 nối đôi (C’’’’): ’’’’ C20 (Δ5-6,8-9,11-12,14-15): Arachidonic acid. Ngoài ra còn có các acid béo có chứa nối ba nhưng không quan trọng. c. Acid béo có chứa chức rượu Thường gặp trong lipid phức tạp và chứa nhóm rượu gần chức acid nên có tên là α- hydroxy α R-CH-COOH OH
21. 37 Ví dụ: α - hydroxy lynoceric acid CH3 -(CH2 )21- CH-COOH OH Ricinoleic acid CH3-(CH2)5 - CH - CH2 - CH = CH- (CH2)7 - COOH 10 9 OH d. Gốc R trong phân tử acid có nhánh và có số C lẻ Phocenic acid: CH3 CH – CH2 – COOH CH3 Undecylonic acid : CH2 = CH - (CH2)8 - COOH e. Acid béo có vòng * Chaulmoogric acid: - (CH2)12 - COOH * Sferculic acid: C H3 - CH2 - C = C - (CH2)7 - COOH CH2 2.1.1.3. Tính chất của acid béo và triglyceride * Tính chất vật lý: a. Điểm tan chảy Điểm tan chảy phụ thuộc vào số C của acid béo, acid béo có chuỗi C dài thì điểm tan chảy cao và ngược lại. Nhưng acid béo có C lẻ có điểm tan chảy thấp hơn acid béo có số C nhỏ hơn nó 1 đơn vị . Ngoài ra độ tan chảy còn phụ thuộc vào số nối đôi trong phân tử acid béo, acid béo chứa nhiều nối đôi thì điểm tan chảy càng thấp. b. Độ sôi Acid béo có chuỗi C dài thì độ sôi càng cao, thường áp dụng tính chất này để tách các acid béo ra khỏi nhau. c. Tính hoà tan - Trong nước: acid béo có chuỗi C ngắn (4,6,8) dễ tan, C10 khó tan, C12 không tan. Nếu acid béo ở dạng muối thì dễ hòa tan hơn. - Trong dung môi hữu không phân cực như benzen, ether, ether dầu hoả acid béo dễ tan.
22. 38 - Trong dung môi hữu cơ phân cực như aceton, acid béo khó hoà tan hay hoà tan rất ít. * Tính chất hoá học: a. Sự hydrogen hoá Acid béo chưa no có thể kết hợp với H2 để tạo thành acid béo no R - (CH2)n - CH =CH- (CH2)n - COOH + H2 R - (CH2)n -CH2 - CH2 - (CH2)n - COOH Người ta dùng phản ứng này để chế tạo thực phẩm như margarin. b. Sự halogen hoá Acid béo không no kết hợp với các nguyên tố thuộc họ halogen (F, Cl, Br, I) để tạo thành acid béo no. R - (CH2)n - CH = CH- (CH2)n - COOH + I 2 R - (CH2 )n - CH - CH- (CH2)n - COOH I I Có thể dùng phản ứng này để xác định số nối đôi trong phân tử acid béo. Phản ứng dễ dàng hay khó xẩy ra tuỳ thuộc vào vị trí nối đôi đối với nhóm carboxyl, nối đôi càng gần nhóm carboxyl phản ứng càng khó xảy ra. Để xác định số nối đôi người ta căn cứ vào chỉ số Iod. Chỉ số Iod: Là số gam Iod cần thiết để tác dụng lên 100gam chất béo. Do đó chỉ số iod càng lớn thì số nối đôi càng nhiều. c. Sự thuỷ phân: Ester nên khi thuỷ phân sẽ tạo thành rượu glycerol và acid béo. Tác nhân thủy phân là acid, kiềm, nước hay enzyme. * Thủy phân bằng nước cần nhiệt độ và áp suất cao. * Thủy phân bằng kiềm: NaOH hay KOH Chỉ số xà phòng hoá: số mg KOH cần thiết để trung hoà 1g chất béo Do đó chỉ số xà phòng càng lớn thì độ dài mạch càng ngắn, nên được dùng để xác định độ dài của mạch C. Để xác định tính chất của chất béo người ta còn căn cứ vào một số chỉ số khác như chỉ số acid. Chỉ số acid: số mg KOH dùng để trung hoà tất cả acid béo tự do có trong 1g chất béo.
23. 39 * Thuỷ phân bằng enzyme: trong cơ thể lipid bị thuỷ phân bằng enzyme lipase. - Lipase dịch tràng tác dụng vào vị trí β. - Lipase tụy tạng tác dụng vào vị trí α và α’. d. Sự ôi hóa: Dầu mỡ để lâu có mùi và vị khó chịu gọi là sự ôi hóa, một trong những nguyên nhân gây ra là do oxy không khí kết hợp vào nối đôi tạo thành peroxide. Nếu oxy kết hợp vào nguyên tử carbon đứng cạnh liên kết đôi thì sẽ tạo thành hydrogen peroxide. Sau đó peroxide và hydrogen peroxide sẽ bị phân giải để tạo thành aldehyde và ketone. Các aldehyde và ketone này đều là những chất có mùi và vị khó chịu. 2.1.2. Cerid Cũng là ester của rượu và acid béo, nhiệt độ thường ở thể rắn, có ở động thực vật, ở thực vật nó thường tạo thành một lớp mỏng phủ lên lá, thân, quả của cây. Công thức tổng quát: R – O – CO – R Rượu trong cerid là rượu cao phân tử, chỉ chứa một nhóm OH , mạnh C không phân nhánh, rất ít khi mạch C có vòng Ví dụ: Rượu cetol:CH3 - (CH2)14-CH2OH. Sáp ong, sáp cá voi (spermaceti) là ester của rượu cetol và palmitic acid. Ngoài ra trong sáp ong và sáp cá voi còn có rượu tự do, acid béo tự do và hydrocarbon. 2.1.3. Sterid Là ester của rượu sterol và acid béo. Rưọu sterol có vòng và trọng lượng phân tử rất lớn, sterol tiêu biểu là cholesterol, acid mật. Acid béo thường là palmitic, oleic, ricinoleic.
24. 40 2.1.3.1.Cholesterol Cholesterol bao gồm nhân phenanthrene kết hợp với cyclopentan tạo thành cyclopentanoperhydrophenanthrene. Cholesterol có mang nhóm rượu ở C3, nối đôi ở C5 - C6 và 2 gốc CH3 ở C10, C13 và một nhánh isooctan ở C17. Cholesterol chỉ có ở động vật, trong máu có khoảng 2.10-3, có nhiều trong óc, những mô ở lá lách, gan, da cũng có chứa cholesterol hay các chất chuyển hoá của nó. Cholesterol đựơc tìm thấy đầu tiên ở sạn mật, sạn mật là do sự dẫn mật đến ruột non bị nghẽn, mật chứa nhiều cholesterol nên kết tủa lại thàng sạn mật. Cholesterol là chất quan trọng trong sự sinh tổng hợp acid mật, vitamin D và nhiều chất khác. Cholesterol + acid béo cholesterid Trong thiên nhiên, các sterol ở trạng thái tự do nhiều hơn ở trạng thái sterid. Ở cơ thể người, chỉ 10% sterol bị ester hóa tạo thành sterid. Tỷ lệ sterol và sterid ở các mô khác nhau là không giống nhau. * Lý tính của cholesterol: kết tinh dưới dạng vảy óng ánh như xà cừ, dạng kết tinh cũng khác nhau tuỳ theo môi trường kết tinh. * Hoá tính: - Phản ứng với acid béo do nhóm -OH ở C3. - Bị hydrogen hóa hay halogen hoá ở C5 - C6.
25. 41 - Phản ứng màu: + Phản ứng Liebermann: Cholesterol cho màu xanh lục, màu này rất bền trong nhiều giờ, phản ứng này được dùng để xác định cholesterol ở bệnh viện. + Phản ứng Salkowski: Cholesterol cho vành màu đỏ. 2.1.3.2. Acid mật: Acid mật được tìm thấy trong động vật có vú gồm 3 dạng sau: cholic acid, deoxycholic và chenodeoxycholic acid. Acid mật là chất độc đối với người. Vì vậy trong mật, acid mật liên kết với acetamin tạo thành một chất ít độc hơn. Ngoài cholesterol và acid mật còn có các sterol khác cũng có nguồn gốc động vật như hormone nang thượng thận, hormone tuyến sinh dục, các sterol có nguồn gốc thực vật như ergosterol, stigmasterol 2.2. Lipid phức tạp Khác với lipid tự do có nhiệm vụ cung cấp năng lượng , hàm lượng luôn thay đổi. Lipid phức tạp có nhiệm vụ tham gia xây dựng các cấu tử của tế bào, hàm lượng không thay đổi hay rất ít thay đổi. 2.2.1. Glycerophospholipid (phosphatid) Chúng ta có thể hình dung cấu tạo chung của glycerophospholipid như sau: Glycerophospholipid là diester của phosphoric acid. Một phía phosphoric acid liên kết với glycerol, phía kia liên kết với X. Tùy cấu tạo của X ta có các loại glycerophospholipid khác nhau:
26. 42 Lecithin: Lúc đó X là choline nên lecithin còn được gọi là choline phosphatid Lecithin có nhiều trong lòng đỏ trứng gà, trong đậu nành, trong máu, trong các dây thần kinh. Qua cấu tạo ta nhận thấy nó gồm 2 phần - Phần phân cực bao gồm phosphoric acid và base nitrogen ưa nước.
27. 43 - Phần không phân cực bao gồm các gốc acid béo, rượu glycerol ghét nước. Do có cấu tạo như trên nên lecithin ở trong nước sẽ tạo thành dung dịch gọi là dung dịch giả. Nhờ đặc tính vừa ưa nước, vừa ghét nước mà hình như phospholipid tham gia trong việc bảo đảm tính thấm một chiều của các màng cấu trúc dưới tế bào. Lecithin có thể bị thuỷ phân bằng acid, kiềm hay enzyme: * Thuỷ phân bằng acid: tất cả liên kết ester đều bị cắt đứt. * Thuỷ phân bằng kiềm: ta được acid béo ở dạng muối, glycerophosphate và choline. Nhưng choline bị phân hủy để cho trimetylamin. Với kiềm nhẹ chỉ có thể cắt liên kết ester giữa rượu và acid béo. * Thuỷ phân bằng enzyme: có 4 loại enzyme lecithinase A, B, C và D tác động lên các liên kết ester khác nhau: B α CH2O - CO - R1 A β CHO - CO - R2 C OH α’CH O - PO D 2 Lecithinase A cắt liên kết ở vị trí β của lecithin cho acid béo và lisolecithin. Cephalin: Trong cấu tạo của cephalin X là colamine. α CH2O-CO-R1 β CHO-CO- R2 O α’CH2O-P = O + O-CH2- CH2 -H3N
28. 44 Tương tự lecithin, cephalin (X là ethanolamine) có cấu tao gồm hai phần ưa nước và ghét nước, là thành phần của dây thần kinh và có nhiều trong não. Lisocephalin được tạo thành khi cắt liên kết ester ở vị trí β, cũng có tính chất phá hủy hồng cầu như lisolecithin. Serinphosphatid: Gọi là serinphosphatid khi X là serine. Trong cơ thể: lecithin, cephalin, serinphosphatid thường gặp ở dạng hổn hợp bởi có sự biến đổi tương hổ giữa serine, choline và colamine. 2.2.2. Sphingophospholipid Đây là lipid phức tạp, trong đó rượu đa nguyên tử là sphingosine. Acid béo liên kết với rượu sphingosine bằng liên kết peptid. Tùy theo X ta có các loại sphingophospholipid khác nhau Acid béo Sphingophospholipid quan trọng nhất là sphingomyelin, ở đây X là: phosphocholine. Acid béo trong sphingomyelin là lignoceric, palmitic,
29. 45 stearic hay nervonic. Sphingophospholipid là diaminophospholipid, khác với phosphatid là monoaminophospholipid. Sphingophospholipid không tan trong ethylic ether, dựa vào tính chất này để tách chúng ra khỏi hỗn hợp lipid 2.2.3.Glycolipid Glycolipid là lipid phức tạp không chứa phospho, trong thành phần của chúng có chứa hexose, thường là galactose hay các dẫn xuất của galactose, đôi khi là glucose. Thuộc nhóm này có MGDG, DGDG và sulfolipid khá phổ biến trong lục lạp và các thành phần khác của tế bào ở lá. 6-Sulfo-6-deoxy-α-D-glucopyranosyldiacyglycerrol (sulfolipid) 2.2.4. Sphingolipid Cerebroside: trong phân tử cerebroside rượu sphingosine liên kết với acid béo bằng liên kết peptide, với galactose (X) bằng liên kết glucosidic.
30. 46 Các cerebroside khác nhau về thành phần acid béo, có nhiều trong mô thần kinh, hồng cầu, bạch cầu, tinh trùng Acid béo Ganglyoside: cấu tạo giống cerebroside nhưng X là phức hợp oligosaccharide Phức hợp ologosaccharide TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt 1. Phạm Thị Trân Châu, Trần thi Áng. 1999. Hoá sinh học, NXB Giáo dục, Hà Nội. 2. Đỗ Quý Hai.2004. Giáo trình Hóa sinh đại cương, Tài liệu lưu hành nội bộ Trường ĐHKH Huế. 3. Trần Thanh Phong.2004. Giáo trình Hóa 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 Doãn Diên, 2000. Hóa sinh Công nghiệp, Nxb KH&KT, Hà Nội. Tài liệu tiếng Anh 1. LehningerA.L. 2004. Principles of Biochemistry, 4th Edition. W.H Freeman. 2. Mead, Alfin-Slater, Howton & Popják. 1986. Lipids: Chemistry, biochemistry and nutrion, Plenum, New York.
31. 47 Chương 3 Protein Protein là hợp chất hữu cơ có ý nghĩa quan trọng bậc nhất trong cơ thể sống, về mặt số lượng, protein chiếm không dưới 50% trọng lượng khô của tế bào; về thành phần cấu trúc, protein được tạo thành chủ yếu từ các amino acid vốn được nối với nhau bằng liên kết peptide. Cho đến nay người ta đã thu được nhiều loại protein ở dạng tinh thể và từ lâu cũng đã nghiên cứu kỹ thành phần các nguyên tố hoá học và đã phát hiện được rằng thông thường trong cấu trúc của protein gồm bốn nguyên tố chính là C, H, O, N với tỷ lệ C ≈ 50%, H ≈ 7%, O ≈ 23% và N ≈ 16%. Đặc biệt tỷ lệ N trong protein khá ổn định (lợi dụng tính chất này để định lượng protein theo phương pháp Kjeldahl bằng cách tính lượng N rồi nhân với 6,25). Ngoài ra trong protein còn gặp một số nguyên tố khác như S ≈0-3% và P, Fe, Zn, Cu Phân tử protein có cấu trúc, hình dạng và kích thước rất đa dạng, khối lượng phân tử (MW) được tính bằng Dalton (1Dalton = 1/1000 kDa, đọc là kiloDalton) của các loại protein thay đổi trong những giới hạn rất rộng, thông thường từ hàng trăm cho đến hàng triệu. ví dụ: insulin có khối lượng phân tử bằng 5.733; glutamat-dehydrogenase trong gan bò có khối lượng phân tử bằng 1.000.000, v.v Từ lâu người ta đã biết rằng protein tham gia mọi hoạt động sống trong cơ thể sinh vật, từ việc tham gia xây dưng tế bào, mô, tham gia hoạt động xúc tác và nhiều chức năng sinh học khác. Ngày nay, khi hiểu rõ vai trò to lớn của protein đối với cơ thể sống, người ta càng thấy rõ tính chất duy vật và ý nghĩa của định nghĩa thiên tài của Engels P. “Sống là phương thức tồn tại của những thể protein”. Với sự phát triển của khoa học, vai trò và ý nghĩa của protein đối với sự sống càng được khẳng định. Cùng với nucleic acid, protein là cơ sở vật chất của sự sống. 3.1. Amino acid 3.1.1 Cấu tạo chung Amino acid là chất hữu cơ mà phân tử chứa ít nhất một nhóm carboxyl (COOH) và ít nhất một nhóm amine (NH2), trừ proline chỉ có nhóm NH (thực chất là một imino acid).
32. 48 Trong phân tử amino acid đều có các nhóm COOH và NH2 gắn với carbon ở vị trí α. Hầu hết các amino acid thu nhận được khi thuỷ phân protein đều ở dạng L-α amino acid. Như vậy các protein chỉ khác nhau ở mạch nhánh (thường được ký hiệu: R). Hình: 3.1. Công thức cấu tạo chung của các amino acid 3.1.2. Phân loại amino acid Hiện nay người ta phân loại amino acid theo nhiều kiểu khác nhau, mỗi kiểu phân loại đều có ý nghĩa và mục đích riêng. Tuy nhiên, họ đều dựa trên cấu tạo hoá học hoặc một số tính chất của gốc R. Ví dụ có người chia các amino acid thành 2 nhóm chính là nhóm mạch thẳng và nhóm mạch vòng. Trong nhóm mạch thẳng lại tuỳ theo sự có mặt của số nhóm carboxyl hay số nhóm amine mà chia ra thành các nhóm nhỏ, nhóm amino acid trung tính (chứa một nhóm COOH và một nhóm NH2); nhóm amino acid kiềm (chứa một nhóm COOH và hai nhóm NH2); nhóm amino acid acid (chứa hai nhóm COOH và một nhóm NH2). Trong nhóm mạch vòng lại chia ra thành nhóm đồng vòng hay dị vòng v.v Có người lại dựa vào tính phân cực của gốc R chia các amino acid thành 4 nhóm: nhóm không phân cực hoặc kỵ nước, nhóm phân cực nhưng không tích điện, nhóm tích điện dương và nhóm tích điện âm. Tuy nhiên, hiện nay cách phân loại các amino acid đang được nhiều người sử dụng nhất là dựa vào gốc R của amino acid và được chia làm 5 nhóm: Nhóm I. Gồm 7 amino acid có R không phân cực, kỵ nước, đó là: glycine, alanine, proline, valine, leucine, isoleucine và methionine. (Hình 3.2)
33. 49 Hình 3.2. Công thức cấu tạo của các amino acid nhóm I Nhóm II. Gồm 3 amino acid có gốc R chứa nhân thơm, đó là phenylalanine, tyrosine và tryptophan (Hình 3.3.) Hình 3.3. Công thức cấu tạo của các amino acid nhóm II
34. 50 Nhóm III. Gồm 5 amino acid có gốc R phân cực, không tích điện, đó là serine, theonine, cysteine, aspargine và glutamine (Hình 3.4) Hình: 3.4. Công thức cấu tạo của các amino acid nhóm III Nhóm IV. Gồm 3 amino acid có R tích điện dương, đó là lysine, histidine và arginine, trong phân tử chứa nhiều nhóm amin (hình 3.5). Hình 3.5. Công thức cấu tạo các amino acid nhóm IV
35. 51 Nhóm V. Gồm 2 amino acid có gốc R tích điện âm, đó là aspartate và glutamate, trong phân tử chứa hai hóm carboxyl (hình 3.6). Hình 3.6. Công thức cấu tạo của các amino acid nhóm V 3.1.3. Các amino acid thường gặp Các amino acid thường gặp là những amino acid thường có mặt trong thành phần của các loại protein. Chúng có khoảng 20 loại và được thu nhận khi thuỷ phân protein. Các loại amino acid này có tên gọi, khối lượng phân tử và ký hiệu được trình bày trên bảng 3.1. 3.1.4. Các amino acid không thể thay thế Các amino acid được hình thành bằng nhiều con đường khác nhau. Như đã biết, trong phân tử protein có khoảng 20 loại amino acid, tuy nhiên trong cơ thể người và động vật không tổng hợp được tất cả các loại đó mà phải đưa từ ngoài vào qua thức ăn. Những amino acid phải đưa từ ngoài vào được gọi là các amino acid không thể thay thế. Người ta biết được có khoảng 8-10 loại amino acid không thể thay thế bao gồm: Met, Val, Leu, Ile, Thr,Phe, Trp, Lys, Arg và His và ngày nay người ta còn xem Cys cũng là một amino acid không thể thay thế. 3.1.5. Các amino acid ít gặp Ngoài các amino acid thường gặp ở trên, trong phân tử protein đôi khi còn có một số amino acid khác, đó là những loại ít gặp. Các amino acid này là dẫn xuất của những amino acid thường gặp như: trong phân tử collagen có chứa 4-hydroxyproline là dẫn xuất của proline, 5- hydroxylysine là dẫn xuất của lysine v.v Mặt khác, mặc dù không có trong cấu trúc protein, nhưng có hàng trăm loại amino acid khác cũng có thể tồn tại ở dạng tự do hoặc liên kết với hợp chất khác trong các mô và tế
36. 52 bào, chúng có thể là chất tiền thân hay là các sản phẩm trung gian của quá trình chuyển hoá trong cơ thể. Bảng 3.1. Các amino acid thường gặp Tên amino Tên amino acid gọi theo danh Tên Ký Khối lượng acid pháp hoá học viết tắt hiệu (MW) Glycine α-aminoacetic acid Gly G 75 Alanine α-aminopropionic acid Ala A 89 Proline α-pyrolydilcarboxylic acid Pro P 115 Valine α-aminoisovaleric acid Val V 117 Leucine α-aminoisocaproic acid Leu L 131 Isoleucine α-amino-β-metylvaleric acid Ile I 131 Methionine α-amino-γ-metylthiobutyric acid Met M 149 Phenylalanine α-amino-β-phenylpropionic acid Phe F 165 Tyrosine α-amino-β- Tyr Y 181 hydroxyphenylpropionic acid Tryptophan α-amino-β-indolylpropionic acid Trp W 204 Serine α-amino-β-hydoxypropionic acid Ser S 105 Threonine α-amino-β-hydroxybutiric acid Thr T 119 Cysteine α-amino-β-thiopropionic acid Cys C 121 Aspargine amid của aspartate Asn B 132 Glutamine amid của glutamate Gln Q 146 Lysine α,ε diaminocaproic acid Lys K 146 Histidine α-amino-β-imidazolpropionic acid His H 155 Arginine α-amino-δ-guanidinvaleric acid Arg R 174 Aspartate α-aminosuccinic acid Asp D 133 Glutamate α-aminoglutarate Glu E 147 3.1.6. Một số tính chất của amino acid 3.1.6.1. Màu sắc và mùi vị của amino acid Các amino acid thường không màu, nhiều loại có vị ngọt kiểu đường như glycine, alanine, valine, serine, histidine, tryptophan; một số loại có vị đắng như isoleucine, arginine hoặc không có vị như leucine. Bột
37. 53 ngọt hay còn gọi là mì chính là muối của natri với glutamic acid (monosodium glutamate). 3.1.6.2. Tính tan của amino acid Các amino acid thường dễ tan trong nước, các amino acid đều khó tan trong alcohol và ether (trừ proline và hydroxyproline), chúng cũng dễ hoà tan trong acid và kiềm loãng (trừ tyrosine). 3.1.6.3. Biểu hiện tính quang học của amino acid Hình 3.7. Đồng phân lập thể của alanine Các amino acid trong phân tử protein đều có ít nhất một carbon bất đối (trừ glycine) vì thế nó đều có biểu hiện hoạt tính quang học, nghĩa là có thể làm quay mặt phẳng của ánh sáng phân cực sang phải hoặc sang trái. Quay phải được ký hiệu bằng dấu (+), quay trái được ký hiệu bằng dấu (-). Góc quay đặc hiệu của amino acid phụ thuộc vào pH của môi trường. Tuỳ theo sự sắp xếp trong cấu trúc phân tử của các nhóm liên kết với carbon bất đối mà các amino acid có cấu trúc dạng D hay L (hình 3.7) gọi là đồng phân lập thể. Số đồng phân lập thể được tính theo 2n (n là số carbon bất đối) Hầu hết các amino acid khác hấp thụ tia cực tím ở bước sóng (λ) khoảng từ 220 - 280 nm. Đặc biệt cùng nồng độ 10-3M, trong bước sóng khoảng 280 nm, tryptophan hấp thụ ánh sáng cực tím mạnh nhất, gấp 4 lần khả năng hấp thụ của tyrosine (hình 3.8) và phenylalanine là yếu nhất.
38. 54 Phần lớn các protein đều chứa tyrosine nên người ta sử dụng tính chất này để định lượng protein Độ hấp phụ λ - Bước sóng(nm) Hình 3.8. Phổ hấp thụ ánh sáng cực tím của tryptophan và tyrosine 3.1.6.4. Tính lưỡng tính của amino acid Trong phân tử amino acid có nhóm carboxyl -COOH nên có khả + năng nhường proton (H ) thể hiện tính acid, mặt khác có nhóm amin- NH2 nên có khả năng nhận proton nên thể hiện tính base. Vì vậy amino acid có tính chất lưỡng tính. Trong môi trường acid, amino acid ở dạng cation (tích điện dương), nếu tăng dần pH amino acid lần lượt nhường proton thứ nhất chuyển qua dạng lưỡng cực (trung hoà về điện), và tiếp tục tăng pH amino acid sẽ nhường proton thứ hai chuyển thành dang anion (tích điện âm). Vì vậy đôi khi người ta coi nó như một di-acid. cation lưỡng cực anion Hình 3.9. Tính lưỡng tính của amino acid
39. 55 + + Tương ứng với độ phân ly H của các nhóm COOH và NH3 có các trị số pK1 và pK2 (biểu thị độ phân ly của các nhóm được 1/2). Từ đó trước tiên chuyển sang dạng lưỡng tính và sau cùng chuyển thành dạng anion. Độ phân ly của H+ Hình 3.10. Đường cong chuẩn độ của glycine nồng độ 1 M ở 25OC Người ta xác định được pHi (pI= pH đẳng điện) = pK1 + pK2 / 2. Ví dụ khi hoà tan glycine vào môi trường acid mạnh thì hầu như glycine đều ở dạng cation. Nếu tăng dần lượng kiềm, thu được đường cong chuẩn độ. Trên đường cong chuẩn độ thấy rằng glycine lần lượt nhường 2 proton trước Tương đương độ phân ly của nhóm COOH được một nửa có trị số + pK1= 2,34 và độ phân ly của NH3 được một nửa có trị số pK2= 9,60. Như vậy ta có 2,34 + 9,60 pHi = = 5,97 2
40. 56 Bảng: 3.2 Các trị số pK của các amino acid thường gặp Tên các Các trị số pK pI amino acid + pK1(của COOH) pK2(của NH 3)pKR(của R) Glycine 2,34 9,60 5,97 Alanine 2,34 9,60 6,01 Proline 1,99 10,96 6,48 Valine 2,32 9,62 5,97 Leucine 2,36 9,60 5,98 Isoleucine 2,36 9,68 6,02 Methionine 2,28 9,21 5,74 Phenylalanine 1,83 9,13 5,48 Tyrosine 2,20 9,11 10,07 5,66 Tryptophan 2,38 9,39 5,89 Serine 2,21 9,15 5,68 Theonine 2,11 9,62 5,87 Cysteine 1,96 10,28 8,18 5,07 Aspargine 2,02 8,80 5,41 Glutamine 2,17 9,13 5,65 Lysine 2,18 8,95 10,53 9,74 Histidine 1,83 9,17 6,00 7,59 Arginine 2,17 9,04 12,48 10,76 Aspartate 1,88 9,60 3,65 2,77 Glutamate 2,19 9,67 4,25 3,22 + - Mặt khác tại pK1 + 2 sự phân ly H của nhóm COO glycine là + 99%, chỉ 1% ở dạng COOH và ở pK2 -2 dạng NH3 là 99%, chỉ 1% ở dạng NH2. Như vậy trong vùng pH từ pK1 + 2 đến pK2 -2, phân tử glycine chủ yếu ở dạng lưỡng tính và kết quả ta có một vùng đẳng điện. Ngoài ra các amino acid trong gốc R có thêm nhóm COOH hay NH2 sự phân ly của chúng sẽ có thêm một trị số phân ly nữa-pKR (xem bảng 3.2). 3.1.7. Các phản ứng hoá học của amino acid Các amino acid đều có nhóm NH2 và COOH liên kết với Cα, vì vậy chúng có những tính chất hoá học chung. Mặt khác các amino acid khác nhau bởi gốc R, vì vậy chúng có những phản ứng riêng biệt. Người ta chia các phản ứng hoá học của amino acid thành 3 nhóm:
41. 57 - Phản ứng của gốc R Do các amino acid có cấu tạo gốc R khác nhau, nên người ta có thể dùng để xác định từng amino acid riêng rẽ nhờ phản ứng đặc trưng của nó, ví dụ phản ứng oxy hoá khử do nhóm SH của cysteine, phản ứng tạo muối do các nhóm COOH hay NH2 của glutamate hay lysine, phản ứng tạo ester do nhóm OH của tyrosine v.v - Phản ứng chung Là phản ứng có sự tham gia của cả hai nhóm α- COOH và α- NH2. Tất cả các amino acid trong phân tử protein đều phản ứng với hợp chất ninhydrin tạo thành phức chất màu xanh tím, riêng imino acid như proline tạo thành màu vàng. Phản ứng được thực hiện qua một số bước như sau: Dưới tác dụng của ninhydrin ở nhiệt độ cao, amino acid tạo thành NH3, CO2 và aldehide, mạch polypeptide ngắn đi môt carbon; đồng thời ninhydrin chuyển thành diceto oxy hindriden. Diceto oxy hindriden, NH3 mới tạo thành tiếp tục phản ứng với một phân tử ninhydrin khác để tạo thành phức chất màu xanh tím (hình 3.11) Hình 3.11. Phản ứng của protein với ninhydrin - Phản ứng riêng biệt Có thể chia các phản ứng riêng biệt theo hai nhóm α- COOH và α- NH2 + Các phản ứng của nhóm α- COOH. Ngoài các phản ứng của nhóm COOH thông thường tạo ester, tạo amid, tạo muối thì nó còn có những phản ứng đạc trưng khác như có thể bị khử thành hợp chất rượu amino dưới sự xúc tác của NaBH4. R-NH2CH-COOH R-NH2CH-CH2OH Nhóm COOH có thể tạo thành phức aminoacyl-adenylate trong phản ứng hoạt hoá amino acid để tổng hợp protein, hay có thể loại CO2 vốn gặp rất nhiều trong quá trình thoái hoá amino acid.
42. 58 + Các phản ứng của nhóm α- NH2. Nhiều phản ứng của nhóm amine được dùng để định tính và định lượng các chỉ tiêu của amino acid như: Để định lượng nitrogen của amino acid người ta cho phản ứng với HNO2 để giải phóng N2. R-CH-COOH R-CH-COOH NH2 + HNO2 OH + N2 + H2O Để định lượng amino acid người ta cho phản ứng với aldehyde tạo thành base schiff. Để xác định amino acid đầu N-tận cùng người ta cho tác dụng với 2-4 dinitrofluobenzen (phản ứng Sanger) hay phenyliothiocyanate (phản ứng Edman). 3.2. Peptide 3.2.1. Khái niệm chung Peptide là những protein thường có cấu trúc đoạn ngắn khoảng từ hai đến vài chục amino acid nối với nhau, có khối lượng phân tử thường dưới 6.000. Chúng có thể được tổng hợp trong tự nhiên hoặc được hình thành do sự thoái hoá protein. Trong các peptide các amino acid được liên kết với nhau thông qua liên kết peptide (hình 3.12). Hình 3.12. Sự tạo thành liên kết peptide Liên kết peptide có độ bền cao bởi cấu trúc của nó có 4 e'π, 2e'π thuộc về liên kết C=O còn 2e'π thuộc về bộ đôi e' tự do của nguyên tử N. Liên kết giữa C-N là liên kết phức tạp, nó có thể chuyển từ dạng ρ đến
43. 59 dạng lai (trung gian) thì bị một phần ghép đôi của liên kết π (hình 3.13). Người ta cho rằng tỷ lệ của liên kết kép này là khoảng 30% đối với liên kết C-N và 70% với liên kết giữa C và O. Như vậy ở đầu của một chuỗi peptide là amino acid có nhóm α -amine (α-NH2) tự do được gọi là đầu N- tận cùng và đầu kia có nhóm α - carboxyl (α -COOH) tự do được gọi là đầu C tận cùng. Liên kết peptide tạo nên bộ khung chính của chuỗi polypeptide, còn các gốc R tạo nên mạch bên của chuỗi (hình 3.14) Dạng cộng hoá trị ρ Dạng ion ρ+π Dạng lai (hybrid) Hình 3.13. Sự tồn tại các dạng của liên kết peptide Mạch chính Mạch bên Hình 3.14. Mạch bên và khung của một chuỗi polypeptide 3.2.2. Các phương pháp xác định peptide Ngoài phản ứng của nhóm NH2 và COOH đầu tận cùng, các gốc R của peptide cũng cho những phản ứng màu đặc trưng của các amino acid tự do tương ứng. Một trong những phản ứng màu đặc trưng nhất dành cho liên kết peptide đó là phản ứng Biure, phản ứng này không xảy ra với
44. 60 amino acid tự do và với dipeptide. Trong môi trường kiềm mạnh, liên kết peptide phản ứng với CuSO4 tạo thành phức chất màu tím đỏ (hình 3.15.) và có khả năng hấp thụ cực đại ở bước sóng 540 nm. Đây là phản ứng được sử dụng rộng rãi để định lượng protein. Phương pháp xác định protein theo Lowry cũng dựa trên nguyên tắc của phản ứng này bằng cách thêm thuốc thử Folin-Ciocalteau để làm tăng độ nhạy của phản ứng sau khi đã thực hiện phản ứng biure, đồng thời dựa vào các gốc Tyr, Try nhờ thuốc thử đó để tạo phức màu xanh da trời. O- O- C =NH HN = C HN O Cu O NH C C NH HN Hình 3.15. Phức màu tím đỏ trong phản ứng Biure Có một số phương pháp tách phân lập và xác định thành phần, số lượng và trình tự amino acid trong peptide. Về nguyên tắc chung các phương pháp tách phân lập và xác định peptide về cơ bản cũng như đối với protein. Tuy nhiên peptide là những đoạn ngắn của chuỗi polypeptide, vì thế có thể bỏ qua giai đoạn cắt chuỗi polypeptide thành các peptide nhỏ mà có thể tách, phân lập ngay bằng phương pháp điện di hay sắc ký để tách riêng từng peptide. Sau khi đã tách riêng các peptide, tiến hành thuỷ phân hoàn toàn thành các amio acid tự do, xác định các amino acid , amino acid đầu N-tận cùng và amino acid đầu C-tận cùng. Các dữ liệu thu được qua sự phân tích này sẽ được so sánh đối chiếu và tổng hợp lại. Ví dụ, Puppy và Bodo đã phân tích một peptide của dịch khi thuỷ phân Cytocrom C thu được các dữ kiện sau đây: - Thành phần amino acid của peptide sau khi được thuỷ phân hoàn toàn và tiến hành sắc ký là 2Cys, 1 Ala, 2 Glu, 1His, 1Thr, 1Val,và 1Lys.
45. 61 - Dùng phương pháp Sanger xác định được amino acid đầu N-tận cùng là Cys và phương pháp carboxypeptidase xác định được amino acid đầu C - tận cùng là Lys. - Cấu tạo của peptide nhỏ (bằng cách thuỷ phân từng phần ban đầu và xác định các amino acid, amino acid đầu N - tận cùng và amino acid đầu C - tận cùng của mỗi peptide nhỏ): Cys- Ala Glu- Cys (Val- Glu) Cys-(Ala,Glu) Cys- His Thr (Val, Glu) Ala- Glu Glu (Cys, His) Glu- Lys Thr (Val, Glu, Lys) Tổng hợp các dữ kiên trên, họ đã xác định được trình tự các amino acid của peptide nghiên cứu là: H2N-Cys-Ala-Glu-Cys-His-Thr-Val-Glu-Lys-COOH. Đây là nguyên tắc chung để xác định một trình tự trong peptide. Tuy nhiên đối với những peptide dài, việc xác định rất phức tạp. 3.2.3. Các peptide thường gặp trong thiên nhiên Trong tự nhiên tồn tại nhiều dạng peptide có chức phận quan trong liên quan đến hoạt động sống của cơ thể như là các hormon, các chất kháng sinh hay những chất tiền thân của tế bào vi khuẩn v.v Bên cạnh đó cũng có những peptide chức phận chưa rõ ràng, có những peptide là sản phẩm thuỷ phân đang còn dang dở của protein. Trong phạm vi của giáo trình này xin được giới thiệu một số peptide quan trọng,có nhiều ý nghĩa đối với cho hoạt động sống của sinh vật. 3.2.3.1. Glutathion và các chất tương tự Glutathion là một tripeptide γ-glutamyl-cysteyl-glycine có công thức cấu tạo như sau: NH2 CH2 SH HOOC-CH-CH2-CH2-CO-NH-CH-CO-NH-CH2-COOH Trong cấu trúc của glutathion, nhóm SH của cysteine là nhóm hoạt động, vì vậy người ta thường viết tắt chữ glutathion là G-SH. Đây là glutathion dạng khử. Trong môi trường hoạt động glutathion có thể
46. 62 nhường hydrogen (H) để thành dạng oxy hoá (GSSG) và ngược lại có thể nhận H để thành dạng khử: -2H 2GSH G-S-S-G +2H Nhờ phản ứng trên, glutathion đóng vai trò của một hệ thống oxy hoá khử (vận chuyển hydrogen). Glutathion là một trong những peptide nội bào phổ biến nhất, nó phân bố nhiều trong các mô và các cơ quan như: gan, thận, lách, tim, phổi, hồng cầu v.v 3.2.3.2. Các hormone sinh trưởng (HGH) Hormone sinh trưởng của người (HGH-human growth hormone) còn có tên gọi STH (somatotropin hormone) là một chuỗi polypeptide bao gồm 191 amino acid có khối lượng phân tử 20.000. Trong cấu trúc có hai cầu disulfua được tạo thành giữa amino acid 53 -165 và giữa amino acid 182-189. Hoạt động sinh học của HGH là ở chuỗi gồm 134 amino acid. HGH có cấu tạo rất giống với hormon lactogen của rau thai (85% amino acid giống nhau) và gần giống prolactin của người (32% amino acid giống nhau). Hormon sinh trưởng có tác dụng đối với sự tăng trưởng nói chung, kích thích sự tạo sụn hơn là tạo xương, nó cũng là một hormon chuyển hoá. Hormon sinh trưởng kích thích sự tổng hợp protein từ những amino acid đã được vận chuyển dễ dàng vào trong tế bào nhờ chúng, và là hormon gây tăng đường huyết, sinh đái tháo đường, đồng thời kích thích sự thoái hoá lipid để đảm bảo nhu cầu về năng lượng cho cơ thể, gây tăng acid béo tự do trong huyết tương. Sự thiếu hụt HGH nếu xảy ra trước tuổi dậy thì sẽ dẫn đến chứng người lùn, sự dư thừa HGH nếu xẩy ra trước tuổi dậy thì sẽ dẫn đến chứng người khổng lồ, nếu xẩy ra sau tuổi dậy thì sẽ dẫn đến chứng người bị to cực (phát triển chiều dày của đầu, xương và mặt).
47. 63 3.2.3.3. Insulin Từ 1953, Sanger (giải thưởng Nobel 1958) đã nghiên cứu, tinh chế và xác định hoàn toàn cấu trúc của phân tử insulin. Phân tử insulin bao gồm 51 amino acid, có cấu trúc gồm 2 chuỗi polypeptide, với khối lượng phân tử 5.700 chuỗi A có 21 amino acid, chuỗi B có 30 amino acid. Hai chuỗi được nối với nhau bằng 2 cầu disulfua. Trong chuỗi A cũng hình thành 1 cầu disulfua giữa amino acid thứ 6 và amino acid thứ 11. Phần đặc hiệu (đặc trưng của một loài) chỉ tập trung vào các amino acid thứ 8-9-10, 12-14 của chuỗi A và đặc biệt là amino acid thứ 30 của chuỗi B (hình 3.16). Người ta cũng đã xác định được cấu trúc ba chiều của insulin và thấy rằng cấu trúc phân tử insulin được giử vững bởi nhiều liên kết muối, liên kết hydro và liên kết cầu disulphate giữa chuỗi A và chuỗi B. Insulin có tác dụng rõ nhất trong tất cả các hormon của tuyến tuỵ, đặc biệt đối với quá trình chuyển hoá glucid, nó có tác dụng hạ đường huyết. Insulin còn kích thích quá trình tổng hợp và ức chế quá trình thoái hoá glycogen ở cơ, gan và mô mỡ. Đặc biệt, insulin tăng cường tổng hợp acid béo, protein và kích thích sự đường phân. Tác dụng quan trọng nhất của insulin là kích thích sự thâm nhập glucose, một số ose, amino acid trogn tế bào cơ và mỡ. Do vậy insulin làm giảm lượng glucose trong máu. Ngoài ra insulin cũng làm giảm sự tân tạo glucose do làm giảm nồng độ enzyme như pyruvat carboxylase và Hình 3.16. Các amino acid của chuỗi A và B ở insulin bò fructose 1-6 diphosphatase.
48. 64 3.2.3.4. Oxytocin, Vasopressin Vasotocin Oxytocin là một peptide có 9 amino acid. Ở động vật có vú, oxytocin chỉ khác ở sự thay đổi của 2 amino acid là: amino acid ở vị trí thứ ba là isoleucine và amino acid vị trí thứ tám là leucine (bảng 3.3). Vasopressin của loài ếch nhái có cấu trúc trung gian giữa vasopresin và oxytocin của động vật có vú (amino acid thứ ba là isoleucin và amino acid thứ tám là arginine và có tên là vasotocin). Vasopressin là một peptide có cấu trúc gồm 9 amino acid. . Bảng 3.3. So sánh cấu trúc hoá học giữa oxytocin và vasopressin của một số loài động vật Va- Lysine 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Lợn, Vaso- Cys-Tyr-Phe-Glu-Asn-Cys-Pro-Lys-Gly-NH2 Hà mã pressin So- Phần lớn Arginine 1 2 3 4 5 6 7 8 9 động vật có vú vasopressin Cys-Tyr-Phe-Glu-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly-NH2 pres- Động vật có 1 2 3 4 5 6 7 8 9 xương sống, Vasotocin không có vú sin Cys-Tyr-Ile-Glu-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly-NH2 Động vật có Oxytocin 1 2 3 4 5 6 7 8 9 xương sống có vú, chim Cys-Tyr-Ile-Glu-Asn-Cys-Pro-Leu-Gly-NH2 Phần lớn ở động vật có vú amino acid thứ 8 của vasopressin là arginine (arg-vasopressin), trừ ở lợn và hà mã, amino acid thứ 8 là lysine (lys- vasopressin). Oxytocin có tác dụng trên cơ trơn của tử cung và tuyến vú, gây co khi tử cung sinh con và kích thích sự tiết sữa khi cho con bú. Vasopressin có tác dụng chống lợi niệu, tăng cường tái hấp thu nước ở thận, đồng thời làm co mạch, do đó có tác dụng tăng huyết áp. 3.3. Protein 3.3.1. Cấu trúc phân tử bậc 1, 2, 3, 4 Về mặt cấu trúc người ta phân biệt protein gồm bốn bậc: bậc I, bậc II, bậc III và bậc IV (Hinh. 3.17)
49. 65 Bậc I Bậc II Bậc III Bậc IV Hình 3.17. Sơ đồ các bậc cấu trúc của protein 3.3.1.1. Cấu trúc bậc I Cấu trúc bậc I biểu thị trình tự các gốc amino acid trong chuỗi polypeptide, cấu trúc này được giữ vững bằng liên kết peptide (liên kết cộng hóa trị). Cấu trúc bậc I là phiên bản của mã di truyền, việc xác định được cấu trúc bậc I là cơ sở để tổng hợp nhân tạo protein bằng phương pháp hoá học hoặc bằng kỹ thuật của công nghệ sinh học. Hiện nay nhiều loại protein đã biết được trình tự các amino acid trong chuỗi polypeptide như: ribonuclease là một protein có 124 amino acid được nối với nhau thành một chuỗi, có 4 cầu disulfua (hình 3.18); hemoglobin là protein có 4 chuỗi polypeptide, 2 chuỗi α ( mỗi chuỗi 141 amino acid) và 2 chuỗi β (mỗi chuỗi 146 amino acid); trypsinogen bò (229 amino acid); kimotrypsin bò (229 amino acid); alcol dehydrogenase ngựa (374 amino acid); glutamate dehydrogenase bò (500 amino acid) v.v
50. 66 Hình 3.18. Cấu trúc bậc nhất của ribonuclesae của bò 3.3.1.2. Cấu trúc bậc II Biểu thị sự xoắn của chuỗi polypeptide, là tương tác không gian giữa các gốc amino acid ở gần nhau trong mạch polypeptide. Xoắn α Liên kết hydrogen Xoắn β Hình 3.19. Các kiểu xuắn trong cấu trúc bậc II của protein Nói cách khác, cấu trúc bậc II là dạng không gian cục bộ của từng phần trong mạch polypeptide. Cấu trúc này được làm bền nhờ các liên kết
51. 67 hydrogen được tạo thành giữa liên kết peptide ở kề gần nhau, cách nhau những khoảng xác định. Theo Pauling và Cori (1951) cấu trúc bậc II của protein bao gồm 2 kiểu chính là xoắn α và phiến gấp β. Ở trong tóc người ta tìm thấy keratin là loại protein có hai dạng cấu trúc: dạng α bình thường và dạng β duỗi thẳng.; cấu trúc phiến gấp β tìm thấy trong fibroin của tơ. Cấu trúc xuắn α hiện nay được tìm thấy trong nhiều loại protein khác nhau Mặt khác tỷ lệ % xoắn α trong các protein khác nhau cũng thay đổi khá nhiều. Ví dụ trong hemoglobin và mioglobin là 75%; lysosyme là 35%; ribonuclease là 17% Bảng 3.4. Số lượng xoắn α và phiến gấp β trong chuỗi đơn một số protein Số gốc (%) Protein (số gốc) Xoắn α Phiến gấp β Chymotrypsin (247) 14 45 Ribonuclease (124) 26 35 Carboxypeptidase (397) 38 17 Cytochrom C (104) 39 0 Lysosyme (129) 40 12 Myoglobin (153) 78 0 Ngoài ra còn có kiểu xoắn collagen được tìm thấy trong phân tử collagen (hình 3.20). Hình 3.20. Cấu trúc kiểu xuắn collagen
52. 68 Đơn vị cấu trúc của nó là tropocollagen bao gồm 3 mạch polypeptide bện vào nhau thành một dây cáp siêu xoắn (vì mỗi mạch đơn có cấu trúc xoắn, chiều cao của mỗi gốc xoắn trên trục siêu xoắn này là 2,9 anstron, một vòng xoắn là 3,3 gốc amino acid. Ba chuỗi polypeptide trong “dây cáp” nối với nhau bằng các liên kết hydrogen. 3.3.1.3. Cấu trúc bậc III Biểu thị sự xoắn và cuộn khúc của chuỗi polypeptide thành khối, đặc trưng cho potein cầu, là tương tác không gian giữa các gốc amino acid ở xa nhau trong chuỗi polypeptide. Trong nhiều protein hình cầu có chứa các gốc Cys tạo nên liên kết disulfua giữa các gốc Cys xa nhau trong chuỗi polypeptide làm cho chuỗi bị cuộn lại (xem myoglobin hình 3.21). Ngoài ra cấu trúc bậc III còn được giữ vững bằng các loại liên kết khác như Van der Waals, liên kết hydrogen, liên kết tĩnh điện giữa các gốc amino acid v.v 3.3.1.4. Cấu trúc bậc IV Biểu thị sự kết hợp của các chuỗi có cấu trúc bậc III trong phân tử protein. Hay nói cách khác, những phân tử protein có cấu trúc từ 2 hay nhiều chuỗi protein hình cầu, tương tác với nhau trong không gian tạo nên cấu trúc bậc IV. Mỗi một chuỗi polypeptide đó được gọi là một tiểu đơn vị (subunit), chúng gắn với nhau nhờ các liên kết hydrogen, tương tác Van der Waals giữa các nhóm phân bố trên bề mặt của các tiểu đợn vị để làm bền cấu trúc bậc IV. Myoglobin Hemoglobin Hình 3.21. Cấu trúc bậc III của myoglobin và bậc IV của hemoglobin (hemoglobin là protein có 4 chuỗi polypeptide2 chuỗi α và 2 chuỗi β; myoglobin chỉ gồm một chuỗi polypeptide)
53. 69 3.3.2. Một vài tính chất của protein 3.3.2.1. Tính chất lý-hoá của protein - Tính tan của protein Các loại protein khác nhau có khả năng hoà tan dễ dàng trong một số loại dung môi nhất định, chẳng hạn như albumin dễ tan trong nước; globulin dễ tan trong muối loãng; prolamin tan trong ethanol, glutelin chỉ tan trong dung dịch kiềm hoặc acid loãng v.v - Tính ngậm nước của protein Trong môi trường nước, protein kết hợp với nước trương lên trở thành dạng keo, hay nói cách khác protein ở trạng thái hydrate hoá, các phân tử nước bám vào các nhóm ưa nước trong phân tử protein như -NH2, -COOH , lớp áo nước bao quanh phân tử protein là một trong các yếu tố làm bền vững cấu trúc, ngăn cách các phân tử protein không cho chúng dính vào nhau để thành tủa. - Độ nhớt của dung dịch protein Khi protein hoà tan trong dung dịch, mỗi loại dung dịch của những protein khác nhau có độ nhớt khác nhau (bảng 3.5). Người ta có thể lợi dụng tính chất này để xác định khối lượng phân tử của protein (độ nhớt càng cao thì khối lượng phân tử càng cao). Bảng 3.5. Độ nhớt của một số protein Nồng độ % Độ nhớt tương đối Protein (trong nước) (của nước =1) Gelatin 3,0 4,54 Albumin trứng 3,0 1,20 Gelatin 8,0 14,2 Albumin trứng 8,0 1,57 - Hằng số điện môi của dung dịch protein Khi thêm các dung môi hữu cơ trung tính như ethanol, aceton vào dung dịch protein trong nước thì độ tan của protein giảm và protein sẽ kết tủa do việc giảm mức độ hydrate hoá của các nhóm ion hoá của protein, lớp áo mất nước, các phân tử protein kết hợp với nhau thành tủa. Như vậy, hằng số điện môi của dung môi làm ngăn cản lực tĩnh điện giữa các nhóm tích điện của protein và nước. Mối liên hệ đó được đặc trưng bởi biểu thức:
54. 70 L1 - l2 F = Dr2 Trong đó: D - hằng số điện môi của dung dịch F- lực tĩnh điện giữa các ion tích điện L1 , l2 - điện tích các ion, r - khoảng cách giữa các ion - Tính chất điện li của protein Cũng như các amino acid, protein là chất điện li lưỡng tính vì trong phân tử protein có nhiều nhóm phân cực mạnh (bên gốc R) của amino acid ví dụ: nhóm COOH thứ hai của Asp, Glu; nhóm NH2 của Lys; nhóm OH của Ser, Thr, Tyr v.v Trạng thái tích điện của các nhóm này phụ thuộc vào pH của môi trường. Ở một pH nào đó mà tổng điện tích (+) và điện tích (-) của phân tử protein bằng không, phân tử protein không di chuyển trong điện trường gọi là pHi (isoelectric - điểm đẳng điện) của protein. Như vậy protein chứa nhiều Asp, Glu (amino acid có tính acid mạnh) thì pHi ở trong vùng acid, ngược lại nhiều amino acid kiềm như Lys, Arg, His thì pHi ở trong vùng kiềm. Ở môi trường có pH pHi phân tử protein thể hiện tính acid, cho ion H+, do đó số điện tích âm lớn hơn số điện tích dương, protein là một đa anion, tích điện âm. Bảng 3.5. Giá trị pHi của một số protein Protein pHi Protein pHi Pepsin 1,0 Globulin sữa 5,2 Albumin trứng 4,6 Hemoglobin 6,8 Casein 4,7 Ribonuclease 7,8 Albumin huyết thanh 4,9 Trypsin 10,5 Gelatin 4,9 Cytochrom C 10,6 Prolamin 12,0 Trong môi trường có pH = pHi của protein, protein dễ dàng kết tụ lại với nhau vì thế người ta lợi dụng tính chất này để xác định pHi của protein cũng như để kết tủa protein. Mặt khác do sự sai khác nhau về pHi giữa các protein mà có thể điều chỉnh pH của môi trường để tách riêng các protein ra khỏi hỗn hợp của chúng.
55. 71 - Sự kết tủa bằng muối của dung dịch protein Muối trung tính có ảnh hưởng rõ tới độ hoà tan của protein hình cầu: với nồng độ thấp chúng làm hoà tan nhiều protein. Tác dụng đó không phụ thuộc vào bản chất của muối trung tính, mà phụ thuộc vào nồng độ muối và số điện tích của mỗi ion trong dung dịch, tức là phụ thuộc vào lực ion μ của dung 2 dịch (μ = 1/2 ∑ C1 Z1, trong đó ∑ là ký hiệu của tổng, C1 là nồng độ của mỗi ion, Z1 là điện tích của mỗi ion). Các muối có ion hoá trị 2 (MgCl2, MgSO4 ) làm tăng đáng kể độ tan của protein hơn các muối có ion hoá trị 1 (NaCl, NH4Cl, KCl ). Khi tăng đáng kể nồng độ muối trung tính thì độ tan của protein bắt đầu giảm và ở nồng độ muối rất cao, protein có thể bị kết tủa hoàn toàn. Các protein khác nhau bị kết tủa ở những nồng độ muối trung tính khác nhau. Người ta sử dụng tính chất này để chiết xuất và tách riêng protein khỏi hỗn hợp. Đó là phương pháp diêm tích (kết tủa protein bằng muối). Thí dụ dùng muối amonium sulfate 50% bảo hoà kết tủa globulin và dung dịch amonium sulfate bảo hoà để kết tủa albumin từ huyết thanh. - Biểu hiện quang học của protein C ũng như nhiều chất hoá học khác, protein có khả năng hấp thụ và bức xạ ánh sáng dưới dạng lượng tử hγ. Vì vậy có thể đo cường độ hấp thụ của protein trong dung dịch hay còn gọi là mật độ quang thường ký hiệu bằng chữ OD (Optical Density). Dựa trên tính chất đó người ta đã sản xuất ra các loại máy quang phổ hấp thụ để phân tích protein. Nhìn chung protein đều có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến (từ 350nm- 800nm) và vùng tử ngoại (từ 320nm xuống tới 180nm). Trong vùng ánh sáng khả kiến protein kết hợp với thuốc thử hấp thụ mạnh nhất ở vùng ánh sáng đỏ 750nm (định lượng protein theo Lowry). Đối với vùng tử ngoại dung dịch protein có khả năng hấp thụ ánh sáng tử ngoại ở hai vùng bước sóng khác nhau: 180nm-220nm và 250nm - 300nm. Ở bước sóng từ 180nm-220nm đó là vùng hấp thụ của liên kết peptide trong protein, cực đại hấp thụ ở 190nm. Do liên kết peptide có nhiều trong phân tử protein nên độ hấp thụ khá cao, cho phép định lượng tất cả các loại protein với nồng độ thấp. Tuy nhiên vùng hấp thụ này của các liên kết peptide trong protein có thể bị dịch về phía có bước sóng dài hơn khi có một số tạp chất lẫn trong dung dịch protein. Mặt khác chính các tạp chất này cũng hấp thụ ánh sáng tử ngoại ở vùng bước sóng 180nm-220nm. Vì thế trong thực tế thường đo độ hấp thụ của dung dịch protein ở bước sóng 220nm-240nm. Ở bước sóng từ 250nm-300nm là vùng hấp thụ các amino acid thơm (Phe, Tyr, Trp) có trongphân tử protein hấp thụ cực đại ở 280nm. Có thể sử dụng phương pháp đo độ hấp thụ của dung dịch protein ở bước sóng 280nm
56. 72 để định tính và định lượng các protein có chứa các amino acid thơm. Hàm lượng các amino acid thơm trong các protein khác nhau thay đổi khá nhiều, do đó dung dịch của các protein khác nhau có nồng độ giống nhau có thể khác nhau về độ hấp thụ ở bước sóng 280nm. Ngoài ra có nhiều chất khác trong dung dịch cũng có ảnh hưởng đến độ hấp thụ protein. Vì vậy, các phương pháp đo độ hấp thụ ở vùng ánh sáng tử ngoại thường được dung để định lượng protein đã được tinh sạch hoặc để xác định protein trong các phân đoạn nhận được khi sắc ký tách các protein qua cột. - Kết tủa thuận nghịch và không thuận nghịch protein Khi protein bị kết tủa đơn thuần bằng dung dịch muối trung tính có nồng độ khác nhau hoặc bằng alcohol, acetone ở nhiệt độ thấp thì protein vẫn giữ nguyên được mọi tính chất của nó kể cả tính chất sinh học và có thể hoà tan trở lại gọi là kết tủa thuận nghịch. Các yếu tố kết tủa thuận nghịch được dùng để thu nhận chế phẩm protein. Trong quá trình kết tủa thuận nghịch muối trung tính vừa làm trung hoà điện vừa loại bỏ lớp vỏ hydrate hoá của protein, còn dung môi hữu cơ vốn háo nước sẽ phá hủy lớp vỏ hydrate nhanh chóng. Trong chế phẩm protein nhận được còn lẫn các chất đã dùng để kết tủa, cần sử dụng phương pháp thích hợp để loại bỏ các chất này. Ví dụ có thể dùng phương pháp thẩm tích để loại bỏ muối. Ngược lại kết tủa không thuận nghịch là protein sau khi bị kết tủa không thể phục hồi lại trạng thái ban đầu. Sự kết tủa này thường được sử dụng để loại bỏ protein ra khỏi dung dịch, làm ngưng phản ứng của enzyme. Một trong những yếu tố gây kết tủa không thuận nghịch đơn giản nhất là đun sôi dung dịch protein (sẽ nói kỹ hơn trong phần biến tính protein ở sau). - Các phản ứng hoá học của protein Cũng như các amino acid và peptide, protein có các phản ứng hoá học tương tự, đó là: phản ứng của các nhóm -COOH, -NH2, gốc R và phản ứng tạo màu đặc trưng của liên kết peptide như phản ứng biure (xem chương 2 và 3. Ở đây xin được giới thiệu thêm một số phản ứng màu đặc trưng khác, có ý nghĩa quan trọng trong phát hiện protein và các gốc amio acid trong chuỗi polypeptide. + Phản ứng với thuốc thử Folin-Ciocateau Thuốc thử Folin-Ciocateau có chứa phosphomolipdic acid và phosphovolframic acid các chất này làm tăng độ nhạy của phản ứng biure, mặt khác phản ứng với gốc Tyr và Trp trong phân tử protein. Các gốc amino acid này tham gia trong quá trình tạo phức chất màu xanh da trời. + Các phản ứng màu đặc trưng khác của protein
57. 73 Những phản ứng này có được là do sự có mặt của các nhóm định chức hóa học xác định trong phân tử protein. Có thể sử dụng chúng để phát hiện amino acid, protein trong dung dịch. • Phản ứng xanthproteic: các gốc amino acid Tyr, Trp, Phe trong protein tác dụng với HNO3 đặc tạo thành màu vàng và sau khi thêm kiềm sẽ chuyển thành da cam. • Phản ứng Pauli: các gốc Tyr, His trong protein tác dụng với diazobenzosulfonic acid tạo thành màu đỏ anh đào. • Phản ứng Millon: gốc Tyr tác dụng với thuỷ ngân nitrate trong HNO3 đặc tạo thành kết tủa màu nâu đất. • Phản ứng Saccaguichi: gốc Arg tác dụng với dung dịch kiềm của α-naphtolvà hypobromitecho màu đỏ anh đào. • Phản ứng Adamkievich: gốc Trp tác dụng với glyoxylic acid và H2SO4 đặc tạo thành vòng tím đỏ ở mặt phân cách. 3.3.2.2. Tính chất và chức năng sinh học của protein Protein là hợp chất hữu cơ có ý nghĩa quan trọng bậc nhất trong cơ thể sống, về mặt số lượng, nó chiếm không dưới 50% trọng lượng khô của tế bào. Từ lâu, đã biết rằng protein tham gia mọi hoạt động sống trong cơ thể sinh vật, ngoài vai trò là thành phần chính trong cấu trúc của tế bào và mô, protein còn có nhiều chức năng phong phú khác quyết định những đặc điểm cơ bản của sự sống như sự truyền đạt thông tin di truyền, sự chuyển hoá các chất do các enzyme, các kháng thể chống lại bệnh tật, các hormon dẫn truyền các tín hiệu trong tế bào v.v đều có bản chất là các protein. Trong cơ thể protein có một số vai trò sau đây: - Chức năng tạo hình Ngoài các protein làm nhiệm vụ cấu trúc như vỏ virus, màng tế bào, còn gặp những protein thường có dạng sợi như: sclerotin có trong lớp vỏ ngoài của sâu bọ; fibroin của tơ tằm, nhện; collagen, elastin của mô liên kết, mô xương. Collagen đảm bảo cho độ bền và tính mềm dẻo của mô liên kết. - Chức năng xúc tác Hầu hết các phản ứng xẩy ra trong cơ thể đều do các protein đặc biệt đóng vai trò xúc tác, những protein đó được gọi là các enzyme. Mặc dù gần đây người ta đã phát hiện được một loại RNA có khả năng xúc tác quá trình chuyển hoá tiền RNA thông tin (pre-mRNA) thành RNA thông tin (mRNA), nghĩa là enzyme không nhất thiết phải là protein. Nhưng định nghĩa có tính chất kinh điển: enzyme là những protein có khả năng xúc tác
58. 74 đặc hiệu cho các phản ứng hoá học, là chất xúc tác sinh học vẫn có ý nghĩa đặc biệt quan trọng. Hiện nay người ta biết được khoảng 3.500 enzyme khác nhau, nhiều enzyme đã được tinh sạch, kết tinh và nghiên cứu cấu trúc. - Chức năng bảo vệ Ngoài vai trò là thành phần chính trong xúc tác, cấu trúc của tế bào và mô, protein còn có chức năng chống lại bệnh tật để bảo vệ cơ thể. Đó là các protein tham gia vào hệ thống miễn dịch, đặc biệt nhiều loại protein thực hiện các chức năng riêng biệt tạo nên hiệu quả miễn dịch đặc hiệu và không đặc hiệu. Các protein miễn dịch được nhắc đến nhiều hơn cả là các kháng thể, bổ thể và các cytokine. Ngoài ra protein còn tham gia vào quá trình đông máu để chống mất máu cho cơ thể hoặc một số loài có thể sản xuất ra những độc tố có bản chất là protein như enzyme nọc rắn, lectin v.v ,có khả năng tiêu diệt kẻ thù để bảo vệ cơ thể. - Chức năng vận chuyển Trong cơ thể có những protein làm nhiệm vụ vận chuyển như + hemoglobin, mioglobin, hemocyanin vận chuyển O2, CO2 và H đi khắp các mô, các cơ quan trong cơ thể. Ngoài ra còn có nhiều protein khác như lipoprotein vận chuyển lipid, ceruloplasmin vận chuyển đồng (Cu) trong máu v.v Một trong những protein làm nhiệm vụ vận chuyển được nhắc đến nhiều nhất đó là hemoglobin. - Chức năng vận động. Nhiều protein làm nhiệm vụ vận động co rút như myosin, actin ở sợi cơ, chuyển vị trí của nhiễm sắc thể trong quá trình phân bào v.v -Chức năng dự trữ và dinh dưỡng Các protein làm nhiệm vụ dự trử như casein của sữa, ovalbumin của trứng, feritin của lách (dữ trữ sắt) v.v Protein dữ trữ này chính là nguồn cung cấp dinh dưỡng quan trọng cho các tổ chức mô, phôi phát triển. - Chức năng dẫn truyền tín hiệu thần kinh Nhiều loại protein tham gia vào việc dẫn truyền tín hiệu thần kinh đối với các kích thích đặc hiệu như: sắc tố thị giác rodopsin ở màng lưới mắt. - Chức năng điều hoà Các protein làm nhiệm vụ điều hoà quá trình trao đổi chất thông qua tác động lên bộ máy thông tin di truyền như các hormon, các protein ức chế đặc hiệu enzyme đều có chức năng điều hoà nhiều quá trình trao đổi chất, chẳng hạn các protein repressor ở vi khuẩn có thể làm ngừng quá trình sinh tổng hợp enzyme từ các gen tương ứng.
59. 75 - Chức năng cung cấp năng lượng Protein cũng là nguồn cung cấp năng lượng quan trọng cho mọi hoạt động sống trong cơ thể. Trong cơ thể các protein bị phân giải thành các amino acid, từ đó tiếp tục tạo thành hàng loạt các sản phẩm, trong đó có các ceto acid, aldehyde và carboxylic acid. Các chất này đều bị oxy hoá dần dần tạo thành CO2 và H2O đồng thời giải phóng ra năng lượng. 3.3.3. Phân loại protein Protein là hợp chất đa dạng về thành phần cấu trúc, chức năng; khối lượng phân tử của chúng cũng rất khác nhau (bảng 3.6). Do đó sự phân loại protein có thể dựa vào những mục đích khác nhau. Có hai cách phân loại thông thường nhất: 3.3.3.1. Phân loại theo hình dạng - Protein dạng sợi Có hình dạng dài, thường là hình sợi, chiều dài của phân tử protein sợi lớn hơn đường kính của nó hàng trăm lần. Protein sợi tương đối bền vững, không tan trong nước và dung dịch muối loãng, các chuỗi polypeptide của protein sợi nằm dọc theo một trục thành những sợi dài. Protein sợi là yếu tố cấu trúc cơ bản của mô liên kết ở động vật cao cấp, thí dụ collagen ở gân và mô xương,elastin ở mô liên kết đàn hồi, α-keratin ở tóc da v.v - Protein dạng cầu Có dạng gần như hình cầu hoặc hinh bầu dục, chiều dài của phân tử protein cầu có thể lớn hơn đuờng kính của nó từ 3 đến 10 lần. Protein cầu không bền vững băng protein sợi, đa số tan trong dung dịch nước và dễ khuyếch tán, thường có chức năng hoạt động sống của tế bào như các enzyme, các hormon, các protein vận chuyển như albumin huyết thanh, hemoglobin v.v - Protein dạng trung gian Một số protein dạng trung gian, vừa có đặc điểm của protein sợi, vừa có đặc điểm của protein cầu. Thí dụ myosin (yếu tố cấu trúc và chức năng quan trong của cơ) có cấu trúc hình que dài là đặc điểm của protein sợi, nhưng lại tan trong dung dịch muối là đặc điểm của protein cầu. Ngoài ra, trong nhóm trung gian này còn có chất tiền thân của fibrin là fibrinogen. 3.3.3.2. Phân loại theo thành phần hoá học Protein gồm hàng trăm, hàng ngàn, thậm chí hàng vạn amino acid nối với nhau bằng liên kết peptide tạo nên một hay nhiều chuỗi polypeptide có cấu trúc rất phức tạp.
60. 76 Căn cứ sự có hay vắng mặt của một số thành phần có bản chất không phải protein mà người ta chia protein thành hai nhóm: Bảng: 3.6 Khối lượng (MW) và cấu trúc phân tử của một số protein Protein Khối lượng Số gốc Số chuỗi (Dalton) amino acid polypeptide Glucagon 3482 29 1 Insulin 5733 51 2 Ribonuclease (tụy bò) 12.640 124 1 Lysozyme (lòng trắng trứng) 13.930 129 1 Myoglobin (tim ngựa) 16.890 153 1 Chymotripsin (tụy bò) 22.600 241 3 Hemoglobin (người) 64.500 574 4 Albumin (huyết thanh người) 68.500 550 1 Hexokinase (men bia) 96.000 800 4 Tryptophan-synthetase (E.coli) 117.000 975 4 γ-globulin (ngựa) 149.000 1.250 4 Glycogen-phosphorylase (cơ thỏ) 495.000 4.100 4 Glutamate-dehydrogenase (gan bò) 1.000.000 8.300 40 Synthetase của acid béo (men bia) 2.300.000 20.000 21 Virus khảm thuốc lá 40.000.000 336.500 2.130 - Protein đơn giản Protein đơn giản là những protein mà phân tử của chúng gồm toàn amino acid. Thí dụ một số enzyme của tuỵ bò như ribonuclease gồm toàn amino acid nối với nhau thành một chuỗi polypeptide duy nhất (có 124 gốc amino acid, khối lượng phân tử 12.640), chymotrypsin gồm toàn amino acid nối với nhau thành ba chuỗi polypeptide (có 241 gốc amino acid, khối lượng phân tử 22.600) v.v Dựa theo khả năng hoà tan trong nước hoặc trong dung dịch người ta có thể chia các protein đơn giản ra một số nhóm nhỏ như: - Albumin: tan trong nước, bị kết tủa ở nồng độ muối (NH4)2SO4 khá cao (70-100%). - Globulin: không tan hoặc tan ít trong nước, tan trong dung dịch loãng của một số muối trung tính như NaCl, KCl, Na2SO4 , và bị kết tủa ở nồng độ muối (NH4)2SO4 bán bão hoà. - Prolamin: không tan trong nước hoặc dung dịch muối loãng, tan trong ethanol, isopropanol 70-80%.
61. 77 - Glutein: chỉ tan trong dung dịch kiềm hoặc acid loãng. - Histon: là protein có tính kiềm dễ tan trong nước, không tan trong dung dịch amoniac loãng. - Protein phức tạp Protein phức tạp là những protein mà phân tử của chúng ngoài các amino acid như protein đơn giản còn có thêm thành phần khác có bản chất không phải là protein còn gọi là nhóm thêm (nhóm ngoại). Tuỳ thuộc vào bản chất của nhóm ngoại mà người ta chia các protein phức tạp ra các nhóm nhỏ và thường gọi tên các protein đó bắt đầu bằng tiếp đầu ngữ chỉ bản chất nhóm ngoại: - Lipoprotein: nhóm ngoại là lipid. - Nucleoprotein: nhóm ngoại là nucleic acid. - Glucoprotein: nhóm ngoại là carbohydrate và dẫn xuất của nó. - Phosphoprotein: nhóm ngoại là phosphoric acid. - Chromoprotein: nhóm ngoại là hợp chất có màu. Tuỳ theo tính chất của từng nhóm ngoại mà có những màu sắc khác nhau như đỏ (ở hemoglobin), vàng (ở flavoprotein)
62. 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt 1. Trần Thị Ân, Đái Duy Ban, Nguyễn Hữu Chấn, Đỗ Đình Hồ, Lê Đức Trình. 1980. Hoá sinh học. NXB Y học, Hà Nội 2.Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng. 1999. Hoá sinh học. NXB Giáo dục, Hà Nội. 3. Nguyễn Lân Dũng, Phạm Văn Ty, Nguyễn Đình Quyến. 1999. Vi sinh vật học. NXB Giáo dục,Hà Nội. 4. Lê Đức Trình. 1998. Hormon. NXB Y học. Hà nội Tài liệu tiếng Anh 1. Dennison C. 2002. A Guide To Protein Isolation. Kluwer Academic Publishers. New York, Boston, Dordrecht, Lodon, Moscow. 2. Fersht A., 1998, Structure and Mechanism in Protein Science, W. H. Freeman, 3rd Rev Edit. 3. Lehninger A. L. 2004. Principle of Biochemistry, 4th Edition. W.H Freeman, 2004 4. Liebler D. C. 2002. Introduction to proteomics. Humana Press Inc. Totuwa, New Jersey. 5. Lodish H, 2003. Molecular Cell Biology. 5th ed, W.H Freeman, 2003 6. Walker J. M. 1996. The Protein Protocols Hand book. 2nd ed. Humana Press Inc. Totuwa, New Jersey.
63. 79 Chương 4 Nucleic acid 4.1. Thành phần hoá học của nucleic acid Nucleic acid, vật chất mang thông tin di truyền của các hệ thống sống, là một polymer được hình thành từ các monomer là nucleotide. Trong nucleic acid có chứa các nguyên tố C, H, O, N và P. Hàm lượng P từ 8- 10% Mỗi nucleotide gồm 3 thành phần kết hợp với nhau theo tỷ lệ 1:1:1, bao gồm: nhóm phosphate, đường pentose (là đường 5 carbon) và một base nitơ (nitrogen). 4.1.1 Base nitơ (Nitrogen) Các base nitơ (nitrogen) thuộc phân tử nucleic acid đều là dẫn xuất của base purine hoặc pyrimidine. Các base purine gồm adenine (6-amino purine) và guanine (2-amino, 6-aminopurine), các base nitơ pyrimidine gồm thymine (2,6-dioxy, 5-methylpyrimidine), cytosine(2-oxy,6- aminopyrimidine) và uracil (2,6 dioxypyrimidine).( Hình 4.1.) Hình 4.1 Công thức cấu tạo của các base nitơ (nitrogen) trong nucleic acid 4.1.2 Đường pentose Đường pentose trong nucleic acid gồm có hai loại là đường deoxyribose và ribose. Sự có mặt của 2 loại đường này là một trong những đặc điểm để phân biệt DNA và RNA. 4.1.3 Phosphoric acid Là một acid vô cơ - H3PO4
64. 80 Hình 4. 2. Công thức cấu tạo của hai loại đường pentose trong nucleic acid 4.1.4. Sự tạo thành nucleoside Nucleoside là sản phẩm thuỷ phân không hoàn toàn của nucleic acid. Nucleoside gồm có hai thành phần là đường pentose và một base nitơ (nitrogen, thuộc purine hay pyrimidine).
65. 81 Hình 4. 3. Cấu tạo hoá học của các nucleoside và nucleotide 4.1.5. Sự tạo thành nucleotide Nucleotide cũng là sản phẩm thuỷ phân không hoàn toàn của nucleic acid. Nucleotide gồm có ba thành phần: đường pentose, một base nitơ (nitrogen) và phosphoric acid (Hình 4.3). 4.1.6. Sự tạo thành nucleic acid Các nucleotide được nối với nhau bằng liên kết phosphodiester Acide thông qua các nhóm OH ở vị trí C3’ và C5’ của đường pentose để tạo thành một chuỗi dài gọi là polynucleotide. Do liên kết phosphodiester được tao thành ở vị trí C3’ và C5’ nên chuỗi polypeptide có tính phân cực: đầu 5’ thường có gốc phosphate và đầu 3’ thường có OH tự do. Nucleic acid gồm hai loại phân tử có cấu tạo rất giống nhau là DNA (desoxyribonucleic acid) và RNA (ribonucleic acid). 4.1.7. Một số nucleotide quan trọng không tham gia cấu tạo nucleic acid - ADP và ATP
66. 82 ADP (adenosindiphosphate) và ATP (adenosintriphosphate) là những dẫn xuất của adenine, chúng tham gia quá trình phosphoryl hoá-oxy hoá. ATP được coi là nguồn phosphate cao năng trong tế bào (Hình 4.4). Hình 4.4. Cấu tạo hoá học của ADP và ATP - cAMP(AMP vòng) Adenosinemonophosphate vòng được hình thành từ ATP, cAMP chỉ tìm thấy ở tế bào động vật và vi khuẩn, nó thường liên kết với màng bào tương của tế bào và tham gia nhiều quá trình chuyển hoá. cAMP có thể được sinh ra nhờ một số hormone hoạt hoá adenylcyclase (Hình 4.5.) - UDP và UTP UDP (uridinediphosphate) và UTP (uridinetriphosphate) đều là những dẫn xuất của uracil là những coenzyme quan trọng trong các phản ứng trung gian chuyển hoá glucose và galactose. Ngoài ra, chúng còn tham gia trong việc hình thành những hợp chất phosphate giàu năng lượng. Hình 4.5. Cấu tạo hoá học của AMP vòng (cAMP) - CDP và CTP CDP (cytidindiphosphate) và CTP (cytidinetriphosphate) là những dẫn xuất của cytidine. CTP cũng là hợp chất giàu năng lương và co thể tham gia nhiều phản ứng khác nhau như: phosphoryl hoá ethanolamine để
67. 83 dẫn đến sự sinh tổng hợp cephaline hoặc phản ứng với phosphate choline để hình thành cytidinediphosphate-choline (CDP-Choline, hình 4.6). Hình 4.6. Cấu tạo hoá học của CDP- cholin 4.1.8. Các coenzyme nucleotide Hiện nay người ta biết được một số nucleotide tham gia cấu tạo nên các coenzyme quan trọng như vitamin B5 (pantothenic acid) trong coezyme A (SH-CoA), vitamin B2 (riboflavine) trong coenzyme flavin adenine đinucleotide (FAD) và vitamin PP (nicotinamide) trong coenzyme nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) v.v Chúng được phosphoryl hoá khi làm chức phận nhóm ngoại của các enzyme trong chuyển hoá trung gian, (hình 4.7)
68. 84 FAD Hình 4.7. Cấu tạo hoá học của một số coenzyme 4.2. Cấu trúc của nucleic acid 4.2.1 DNA (Desoxyribonucleic acid) Phân tử DNA là một chuỗi xoắn kép gồm hai chuỗi đơn. Mỗi chuỗi đơn là một chuỗi nucleotide. Mỗi nucleotide gồm ba thành phần: nhóm phosphate, đường desoxyribose và một trong bốn base và thường được ký hiệu bằng chữ cái đầu tiên của các base đó (A-adenine, C- cytosine, G- guanine và T- thymine). Hai chuỗi đơn kết hợp với nhau nhờ các liên kết hydrogen hình thành giữa các base bổ sung nằm trên hai chuỗi: A bổ sung cho T và C bổ sung cho G. Mỗi chuỗi đơn có một trình tự định hướng với một đầu 5’phosphate tự do, đầu kia là 3’ hydroxyl tự do (quy ước là 5’ → 3’. Hướng của hai chuỗi đơn trong chuỗi xoắn kép ngược nhau, nên được gọi là hai chuỗi đối song. Những phân tích cấu trúc hiện đại đã cho thấy
69. 85 cấu trúc của DNA không phải luôn luôn tương ứng với dạng được gọi là B mà Watson và Crick đã đưa ra. Do sự tác động của các hợp chất có trọng lượng nhỏ hoặc protein dạng B có thể chuyển sang dạng A (nén nhiều hơn) hoặc là dạng Z (xoắn trái). Chúng có thể tự gấp lại (DNA) hoặc xoắn mạnh, ví dụ một chuỗi kép DNA có độ dài là 20 cm được nén trong một chromosome có kích thước là 5 μm. Liên kết hydrogen 1 nm 3,4 nm 0,34 nm (a) Cấu trúc của DNA (b) Cấu trúc hóa học của một phần DNA Hình 4.8. Chuỗi xoắn kép của DNA Phân tử DNA trong nhiễm sắc thể của sinh vật eukaryote ở dạng thẳng, còn ở phần lớn tế bào prokaryote (vi khuẩn) phân tử DNA có dạng vòng. Dù ở dạng nào thì các phân tử DNA đều tồn tại dưới dạng cuộn chặt. Trong tế bào eukaryote, DNA kết hợp chặt chẽ với các protein là histone.
70. 86 Trục đường-phosphate Các base Thymine (T) Adenine (A) Cytosine (C) DNA nucleotide Phosphate Đường (deoxyribose) . Guanine (G) Hình 4.9. Cấu trúc của các nucleotide điển hình. DNA của eukaryote có kích thước rất lớn (ví dụ DNA ở người có thể dài đến 1 m) nên câu hỏi đặt ra là phân tử này phải được nén như thế nào vào thể tích rất hạn chế của nhân. Việc nén được thực hiện ở nhiều mức độ, mức độ thấp nhất là nucleosome và mức độ cao nhất là cấuo trúc nhiễm sắc chất. Thật vậy, đường kính của chuỗi xoắn DNA chỉ là 20 A , trong khi sợi nhio ễm sắc chất quano sát dưới kính hiển vi điện tử có đường kính 100 A, đôi khi đạt 300 A. Điều này chứng tỏ phân tử DNA tham gia hìnho thành những cấu trúc phức tạp hơn (Hình 4.10). Sợi có đường kính 100 A là một chuỗi nhiều nucleosome. Đó là những cấu trúc hình thành từ một
71. 87 o chuỗi DNA quấn quanh một lõi gồm 8 phân tử histon. Sợi 100 A nàyo được tổ chức thành cấu trúc phức tạp hơn là sợi có đường kính 300 A. Trong nhân tế bào, các sợi vừa kể trên kết hợp chặt chẽ với nhiều protein khác nhau và cả với các RNA tạo hành nhiễm sắc chất, mức độ tổ chức cao nhất của DNA Chuỗi xoắn kép DNA 2 nm Dạng xâu chuỗi của 11 nm nhiễm sắc thể Sợi nhiễm sắc chất đường kính 30 nm gồm 30 nm các nucleosome được đóng gói Vùng nhiễm sắc thể 300 nm ở dạng lỏng lẽo Vùng nén chặt của 700 nm nhiễm sắc thể ở trung kỳ 1400 nm Nhiễm sắc thể ở trung kỳ Hình 4.10. Cấu trúc nucleosome và nhiễm sắc thể. Phân tử DNA được sắp xếp trên nhiễm sắc thể làm cho chiều dài ngắn lại hơn 50.000 lần. Các DNA ở eukaryote có đặc điểm khác với DNA prokaryote. Toàn bộ phân tử DNA prokaryote đều mang thông tin mã hóa cho các protein trong khi đó DNA eukaryote bao gồm những trình tự mã hoá (các exon)
72. 88 xen kẽ với những trình tự không mã hoá (intron). Các trình tự mã hoá ở eukaryote chìm ngập trong một khối lớn DNA mà cho đến nay vẫn chưa rõ tác dụng. Tùy theo mức độ hiện diện của chúng trong nhân, các trình tự DNA được chia làm ba loại: - Các trình tự lặp lại nhiều lần. Ví dụ: ở động vật có vú các trình tự này chiếm 10-15% genome (hệ gen). Đó là những trình tự DNA ngắn (10- 200 kb), không mã hoá, thường tập trung ở những vùng chuyên biệt trên nhiễm sắc thể như ở vùng tâm động (trình tự CEN) hay ở đầu các nhiễm sắc thể (trình tự TEL). Chức năng của các trình tự này chưa rõ, có thể chúng tham gia vào quá trình di chuyển DNA trên thoi vô sắc (trình tự CEN) hoặc vào quá trình sao chép toàn vẹn của phần DNA nằm ở đầu mút nhiễm sắc thể (trình tự TEL). - Các trình tự có số lần lặp lại trung bình. Ví dụ: ở genome người các trình tự này chiếm 25-40 %. Chúng đa dạng hơn và có kích thước lớn hơn (100-1.000 kb) các trình tự lặp lại nhiều lần. Các trình tự này phân bố trên toàn bộ bộ gen. Chúng có thể là những trình tự không mã hóa mà cũng có thể là những trình tự mã hóa cho rRNA, tRNA và RNA 5S. - Các trình tự duy nhất: là các gen mã hóa cho các protein, có trình tự đặc trưng cho từng gen. Một đặc điểm của phân tử DNA có ý nghĩa rất quan trọng được sử dụng vào phương pháp lai phân tử. Đó là khả năng biến tính và hồi tính. Biến tính là hiện tượng hai sợi đơn của phân tử DNA tách rời nhau khi các liên kết hydrogen giữa các base bổ sung nằm trên hai sợi bị đứt do các tác nhân hóa học (dung dịch kiềm, formamide, urea) hay do tác nhân vật lý (nhiệt). Sau đó, nếu điều chỉnh nhiệt độ và nồng độ muối thích hợp, các sợi đơn có thể bắt cặp trở lại theo nguyên tắc bổ sung, để hình thành phân tử DNA ban đầu, đó là sự hồi tính. 4.2.2 RNA (Ribonucleic acid ) Phân tử RNA có cấu tạo tương tự DNA với ba điểm khác biệt sau: - Phân tử RNA là chuỗi đơn. - Đường pentose của phân tử DNA là deoxyribose được thay bằng ribose. - Thymine, một trong bốn loại base hình thành nên phân tử DNA, được thay thế bằng uracil trong phân tử RNA. Cấu trúc và chức năng của RNA có sự biến đổi rõ rệt. Về cơ bản RNA chỉ là chất mang thông tin di truyền ở virus, sau đó người ta chứng minh rằng nó không những đóng vai trò cơ bản ở việc chuyển thông tin di truyền mà còn có vai trò cấu trúc khi tạo nên phức hệ RNA-protein.
73. 89 Theo một lý thuyết tiến hóa mà đại diện là Manfred Eigen, RNA là chất mang thông tin di truyền, thành viên trung gian của sự biểu hiện gen, thành phần cấu tạo và là chất xúc tác. Nhóm OH rượu ở vị trí thứ hai của ribose cần thiết cho đa chức năng làm nhiễu loạn sự tạo thành chuỗi kép, qua đó làm tăng độ không bền vững của liên kết photphodieste. Trong tế bào có ba loại RNA chính, có các chức năng khác nhau: - Các RNA thông tin (mRNA) mRNA là bản sao của những trình tự nhất định trên phân tử DNA, có vai trò trung tâm là chuyển thông tin mã hóa trên phân tử DNA đến bộ máy giải mã thành phân tử protein tương ứng. Các RNA có cấu trúc đa dạng, kích thước nhỏ hơn so với DNA vì chỉ chứa thông tin mã hóa cho một hoặc vài protein và chỉ chiếm khoảng 2-5% tổng số RNA trong tế bào. Quá trình chuyển thông tin được thể hiện như sau: Phiên mã Dịch mã DNA RNA Protein Ở Escherichia coli, kích thước trung bình của một phân tử mRNA khoảng 1,2 kb. - RNA vận chuyển (tRNA) tRNA làm nhiệm vụ vận chuyển các amino acid hoạt hóa đến ribosome để tổng hợp protein từ các mRNA tương ứng. Có ít nhất một loại tRNA cho một loại amino acid. tRNA vận chuyển chứa khoảng 75 nucleotide (có trọng lượng khoảng 25 kDa), là phân tử RNA nhỏ nhất. Các tRNA có cấu trúc dạng cỏ ba lá (Hình 7). Cấu trúc này được ổn định nhờ các liên kết bổ sung hiện diện ở nhiều vùng của phân tử tRNA. Hai vị trí không có liên kết bổ sung đóng vai trò đặc biệt quan trọng đối với chức năng của tRNA: - Trình tự anticodon gồm ba nucleotide. - Trình tự CCA, có khả năng liên kết cộng hóa trị với một amino acid đặc trưng. - RNA ribosome (rRNA) rRNA là thành phần cơ bản của ribosome, vừa đóng vai trò xúc tác và cấu trúc trong sự tổng hợp protein. Tùy theo hệ số lắng rRNA được chia thành nhiều loại: ở eukaryote có rRNA 28S, 18S, 5,8S và 5S, còn các rRNA ở E. coli có ba loại: 23S,
74. 90 16S và 5S. rRNA chiếm nhiều nhất trong ba loại RNA (80% tổng số RNA tế bào), tiếp đến là tRNA và mRNA chỉ chiếm 5%. Ribosome của mọi tế bào đều gồm một tiểu đơn vị nhỏ và một tiểu đơn vị lớn. Mỗi tiểu đơn vị có mang nhiều protein và rRNA có kích thước khác nhau. Amino acid anticodon . Hình 4.11. Mô hình cấu trúc của một tRNA - Một số loại RNA khác. Tế bào sinh vật nhân chuẩn còn chứa một số loại RNA khác, chúng đều có vai trò nhất định trong bộ máy tổng hợp protein như: + snRNA (small nuclear) là những phân tử RNA nhỏ tham gia vào việc ghép nối các exon. + hn RNA( heterogenous nuclear) là những RNA không đồng nhất ở nhân tế bào. + scRNA (small cytoplasmic) là những RNA nhỏ của tế bào chất.
75. 91 Bảng 4.1. Các phân tử RNA trong E. coli Loại Tổng số tương Hệ số Khối lượng phân Số lượng đối (%) lắng (S) tử (kDa) nucleotide rRNA 80 1,2 × 103 3700 23 0,55 × 103 1700 16 3,6 × 101 120 5 tRNA 15 2,5 × 101 75 4 mRNA 5 Không đồng nhất Nhìn chung tất cả RNA trong tế bào đều được tổng hợp nhờ enzyme RNA polymerase. Enzyme này đòi hỏi những thành phần sau đây: a) Một khuôn mẫu, thường là DNA chuỗi đôi. b) Tiền chất hoạt hóa: Bốn ribonucleoside triphosphate: ATP, GTP, UTP và CTP. Sinh tổng hợp RNA giống DNA ở một số điểm, thứ nhất hướng tổng hợp là 5’ → 3’, thứ hai là cơ chế kéo dài giống nhau: nhóm 3’-OH ở đầu cuối của chuỗi tổng hợp là vị trí gắn kết của nucleoside triphosphate tiếp theo. Thứ ba, sự tổng hợp xảy ra do thủy phân pyrophosphate. Tuy nhiên, khác với DNA là RNA không đòi hỏi mồi (primer). Ngoài ra RNA polymerase không có hoạt tính nuclease để sửa chữa khi các nucleotide bị gắn nhầm. Cả ba loại RNA trong tế bào được tổng hợp trong E. coli nhờ một loại RNA polymerase. Ở động vật có vú các RNA khác nhau được tổng hợp bằng các loại RNA polymerase khác nhau. 4.3. Một số tính chất của nucleic acid Dung dịch nucleic acid có độ nhớt cao, có hoạt tính quang học (làm quay mặt phẳng ánh sang phân cực). Nucleic acid hấp thụ mạnh ở vùng ánh sáng tử ngoại có bước sóng 250-280 nm, cực đại hấp thụ ở 260 nm. Tính chất này được sử dụng để dịnh lượng nucleic acid và xác định độ sạch của nucleic acid. Khi đun nóng dung dịch nucleic acid ở nhiệt độ cao, thêm acd hoặc kiềm để ion hoá các base của nó, nucleic acid bị biến tính. Phân tử DNA xoắn kép bị tháo rời, độ hấp thụ ở bước song 260 nm tăng lên. Sự tăng độ hấp thụ này gọi là hiện tượng tăng sắc tố (hyperchromism). Nhiệt độ làm mất một nửa cấu trúc xoắn kép cuả phân tử DNA được gọi là nhiệt độ
76. 92 nóng chảy (melting temperature) viết tắt là Tm. Các DNA giàu các base G và C có nhiệt độ nóng chảy cao. DNA phản ứng với thuốc thử fucsin tạo thành màu đỏ (phản ứng Feulgen), phản ứng này thường sử dụng trong hoá tế bào. Để phân biệt DNA và RNA người ta dùng các phản ứng đặc trưng với thuốc thử orcine tạo thành màu xanh lục bền, desoxyribose của DNA phản ứng với diphenylamine tạo thành màu xanh da trời bền. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt 1. Trần Thị Ân, Đái Duy Ban, Nguyễn Hữu Chấn, Đỗ Đình Hồ, Lê Đức Trình. 1980. Hoá sinh học. NXB Y học, Hà Nội 2. Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng. 1999. Hoá sinh học. NXB Giáo dục, Hà Nội. 3. Hồ Huỳnh Thuỳ Dương. 1998. Sinh học phân tử. NXB Giáo dục, Hà Nội. 4. Phạm Thành Hổ. 2001. Di truyền học, (tái bản lần thứ 3) NXB Giáo dục, Hà Nội. Tài liệu tiếng Anh 1. Lehninger A.L. , 2004. Principle of Biochemistry , 4th Ed., E-Book 2. Lodish H., 2003. Molecular Cell Biology. 5th Ed. E-book
77. 92 Chương 5 Vitamin Vitamin là một nhóm chất hữu cơ có các tính chất lý, hoá học rất khác nhau. Tác dụng của chúng trên các cơ thể sinh vật cũng rất khác nhau nhưng đều rất cần thiết cho sự sống của sinh vật, nhất là đối với người và động vật. Khi thiếu một loại vitamin nào đó sẽ dẫn đến những rối loạn về hoạt động sinh lý bình thường của cơ thể. Vitamin được tổng hợp chủ yếu ở thực vật và vi sinh vật. Ở người và động vật cũng có thể tổng hợp được một số Vitamin nhưng rất ít nên không thoả mãn nhu cầu của cơ thể mà phải tiếp nhận thêm ở ngoài vào bằng con đường thức ăn. Có nhiều loại Vitamin khác nhau. Tên Vitamin được gọi theo nhiều cách như gọi theo chữ cái, gọi theo danh pháp hoá học, gọi theo chức năng. Ví dụ Vitamin B1 còn có tên hóa học là Thiamin, đồng thời theo chức năng của nó còn có tên antinevrit. Có nhiều kiểu phân loại Vitamin, nhưng kiểu phân loại được sử dụng phổ biến nhất là dựa vào khả năng hoà tan của Vitamin vào các dung môi. Người ta chia Vitamin ra 2 nhóm: Vitamin tan trong nước và Vitamin tan trong mỡ. Vitamin tan trong nước chủ yếu tham gia vào các quá trình liên quan tới sự giải phóng năng lượng như quá trình oxi hoá khử, quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ Vitamin tan trong mỡ tham gia vào các phản ứng tạo nên các chất có chức năng cấu trúc các mô, các cơ quan. 5.1. Vitamin tan trong nước 5.1.1. Vitamin B1 (Thiamin) Vitamin B1 là loại Vitamin rất phổ biến trong thiên nhiên, đặc biệt trong nấm men, cám gạo, mầm lúa mì Trong đó cám gạo có hàm lượng Vitamin B1cao nhất. Vitamin B1 được tách ra ở dạng tinh thể vào năm 1912 và xác định được cấu trúc hoá học của nó.
78. 93 NH2 CH CH N 2 N 3 H3C CH2 - CH2OH N S Vitamin B1 bền trong môi trường acid, còn trong môi trường kiềm nó rất dễ bị phân huỷ khi đun nóng. Trong cơ thể B1 có thể tồn tại ở trạng thái tự do hay ở dạng Thiamin pyrophosphate. Thiamin pyrophosphate là dạng B1 liên kết với H3PO4 và có vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi chất của cơ thể. Thiamin pyrophosphate là coenzyme xúc tác cho quá trình phân giải các ceto acid như pyruvic acid, oxaloacetic acid Vì vậy khi thiếu Vitamin B1 sự chuyển hoá các ceto acid bị ngừng trệ làm cho cơ thể tích luỹ một lượng lớn các ceto acid làm rối loạn trao đổi chất và gây nên các trạng thái bệnh lý nguy hiểm. Vitamin B1 hoà tan tốt trong môi trường nước và chịu nhiệt khá nên không bị phân huỷ khi nấu nướng. B1 được tổng hợp chủ yếu ở thực vật và một số vi sinh vật. Người và động vật không tổng hợp được B1 mà phải nhận từ nguồn thức ăn. Nguồn chứa nhiều Vitamin B1 là cám gạo, ngô, lúa mì, gan, thận, tim, não, nhất là ở nấm men. Khi thiếu B1 có thể phát sinh bệnh beri-beri, còn gọi là bệnh tê phù, do quá trình trao đổi chất bị rối loạn. Nhu cầu Vitamin B1 phụ thuộc vào điều kiện nghề nghiệp, vào trạng thái sinh lý của cơ thể, vào lứa tuối. Nhu cầu hàng ngày của người lớn là 1-3mg, của trẻ em 0,5-2mg. 5.1.2. Vitamin B2 (Riboflavin) Vitamin B2 là dẫn xuất của vòng Isoalloxazin, thuộc nhóm flavin. Trong cơ thể B2 liên kết với H3PO4 tạo nên coenzyme FMN và FAD là những coenzyme của hệ enzyme dehydrogenase hiếu khí. Ở trạng thái khô Vitamin B2 bền với nhiệt và acid. Vitamin B2 có nhiều trong nấm men, đậu, thịt, sữa, gan, trứng. Khi thiếu Vitamin B2 sự tổng hợp các enzyme oxi hoá khử bị ngừng trệ làm ảnh hưởng đến quá trình oxi hoá khử tạo năng lượng cho cơ thể. Đồng thời khi thiếu Vitamin B2 việc sản sinh ra các tế bào của biểu bì ruột cũng
79. 94 bị ảnh hưởng gây nên sự chảy máu ruột hay rối loạn hoạt động của dạ dày, ruột. Vitamin B2 còn giúp cơ thể kháng khuẩn tốt hơn. Nhu cầu Vitamin B2 hàng ngày của một người khoảng 2-3mg. CH2 - (CHOH)3-CH2OH N N H3C O H3C NH N O Riboflavin (Vitamin B2) 5.1.3. Vitamin PP (Nicotinic acid, nicotinamid) Vitamin PP là nicotinic acid và amid của nó là nicotinamid. O C COOH NH2 N N Nicotinic acid Nicotinamid Vitamin PP là thành phần của coenzyme NAD, NADP có trong các enzyme thuộc nhóm dehydrogenase kỵ khí. Vitamin PP giúp cơ thể chống lại bệnh pellagra (bệnh da sần sùi). Khi mắc bệnh pellagra sẽ dẫn đến sưng màng nhầy dạ dầy, ruột, sau đó sưng ngoài da. Vitamin PP dạng nicotinic acid bền với nhiệt, acid và cả kiềm nên khó bị phân huỷ, còn ở dạng nicotinamid lại kém bền với acid và kiềm.
80. 95 Vitamin PP không bị biến đổi khi nấu nướng nên thức ăn giữ được hàm lượng PP qua xử lý. Vitamin PP có nhiều trong gan, thịt nạc, tim, đặc biệt là nấm men. Nếu cơ thể thiếu Vitamin PP sẽ ảnh hưởng đến các quá trình oxi hoá khử. Vitamin PP có tác dụng ngăn ngừa bệnh ngoài da, sưng màng nhầy ruột, dạ dày. Hàng ngày nhu cầu của một người khoảng 15-25mg Vitamin PP. 5.1.4. Vitamin B6 (Pyridoxin) Vitamin B6B tồn tại trong cơ thể ở 3 dạng khác nhau: Piridoxol, Pyridoxal, Pyridoxamine. Ba dạng này có thể chuyển hoá lẫn nhau CH2OH HO CH2OH H3C N Pyridoxol Vitamin B6 là thành phần coenzyme của nhiều enzyme xúc tác cho quá trình chuyển hoá amino acid, là thành phần cấu tạo của phosphorylase Vitamin B6 có nhiều trong nấm men, trứng, gan, hạt ngũ cốc, rau quả Nếu thiếu Vitamin B6 sẽ dẫn đến các bệnh ngoài da, bệnh thần kinh như đau đầu, bệnh rụng tóc, rụng lông Hàng ngày mỗi người lớn cần 1,5-2,8 mg, với trẻ em cần 0,5-2mg Vitamin B6. 5.1.5. Vitamin C (Ascorbic acid) Vitamin C là ascorbic acid. Trong cơ thể Vitamin C tồn tại ở 2 dạng: dạng khử là ascobic acid và dạng oxy hoá là dehydro ascobic.
81. 96 CH2OH CH2OH CHOH CHOH O O O O OH OH O O Ascorbic acid Dehydro ascorbic acid Vitamin C tham gia nhiều quá trình sinh lý quan trọng trong cơ thể: - Quá trình hydroxyl hoá do hydroxylase xúc tác. - Duy trì cân bằng giữa các dạng ion Fe+2/Fe+3, Cu+1/Cu+2. - Vận chuyển H2 trong chuỗi hô hấp phụ. - Làm tăng tính đề kháng của cơ thể đối với những điều kiện không thuận lợi của môi trường, các độc tố của bệnh nhiễm trùng, làm giảm các triệu chứng bệnh lý do tác dụng của phóng xạ. Ngoài ra Vitamin C còn tham gia vào nhiều quá trình khác có vai trò quan trọng trong cơ thể. Vitamin C có nhiều trong các loại rau quả tươi, nhất là trong các loại quả có múi như cam, chanh, bưởi Nhu cầu hàng ngày cần 70- 80mg/người. Nếu thiếu Vitamin C sẽ dẫn đến bệnh hoại huyết, giảm sức đề kháng của cơ thể, bị bệnh chảy máu răng, lợi hay nội quan (bệnh scorbutus). 5.1.6. Vitamin B12 (Cyanocobalamin) Vitamin B12B có cấu tạo phức tạp, trong thành phần có chứa nhóm CN, CO, amin. Thành phần chính của Vitamin B12 là nhóm porphyrin. Vitamin B12B giúp cho việc tạo huyết cầu tố và hồng cầu. B12 tham gia các quá trình tổng hợp nucleotide nhờ xúc tác các phản ứng metyl hoá các base Nitơ. Thiếu B12 sẽ gây bệnh thiếu máu ác tính. Ngoài các loại Vitamin trên, trong nhóm Vitamin tan trong nước còn một số Vitamin khác như Vitamin B5, Vitamin Bc, Vitamin H
82. 97 5.2. Vitamin tan trong chất béo 5.2.1. Vitamin A (retinol) Vitamin A có 2 dạng quan trọng là A1 và A2. Vitamin A được hình thành từ β.caroten là tiền Vitamin A. Từ β.caroten tạo thành 2 phân tử Vitamin A. CH3 CH3 CH3 CH3 CH2OH Vitamin A CH3 1 Vitamin A có nhiều trong dầu cá, lòng đỏ trứng. Trong thực vật có nhiều tiền Vitamin A (β.caroten) nhất là trong củ cà rốt, quả cà chua, quả gấc, quả đu đủ. Vitamin A có vai trò quan trọng trong cơ chế tiếp nhận ánh sáng của mắt, tham gia vào quá trình trao đổi protein, lipid, saccharide. Thiếu Vitamin A sẽ bị bệnh quáng gà, khô mắt, chậm lớn, sút cân, giảm khả năng đề kháng của cơ thể đối với các bệnh nhiễm trùng. Nhu cầu Vitamin A hàng ngày đối với người lớn 1-2mg, trẻ em dưới 1 tuổi 0,5-1mg. 5.2.2. Vitamin D Trong cơ thể tồn tại nhiều loại Vitamin D, trong đó quan trọng nhất là dạng D2 và D3. Các Vitamin D là dẫn xuất của các sterol. Trong cơ thể Vitamin D được tạo ra từ tiền Vitamin D có sẵn dưới da nhờ ánh sáng mặt trời có tia tử ngoại. Thiếu hoặc thừa Vitamin D đều ảnh hưởng đến nồng độ photpho và canxi trong máu. Thiếu Vitamin D trẻ em dễ bị bệnh còi xương, ở người lớn bị bệnh loãng xương. Vitamin D có nhiều trong dầu cá, mỡ bò, lòng đỏ trứng. Tiền Vitamin D có sẵn trong mỡ động vật. Hàng ngày mỗi người cần khoảng 10-20mg, trẻ em dưới 30 tháng cần nhiều hơn: 20-40mg.
83. 98 5.2.3. Vitamin E (Tocopherol) Vitamin E có nhiều dạng khác nhau. Đó là các dạng α, β, γ, δ tocopherol. Các dạng khác nhau này được phân biệt bởi số lượng và vị trí của các nhóm metyl gắn vào vòng thơm của phân tử. Trong các loại Vitamin E, dạng α -tocopherol có hoạt tính cao nhất: CH3 CH O 3 H C CH3 CH3 CH3 3 (CH2)3 - CH - (CH2)3 - CH - (CH2)3- CH - CH3 HO CH3 α - Tocopherol Vitamin E có nhiều ở các loại rau xanh, nhất là xà lách, ở hạt ngũ cốc, dầu thực vật, gan bò, lòng đỏ trứng, mầm hạt hoà thảo Vitamin E có tác dụng như chất chống oxi hoá nên có tác dụng bảo vệ các chất dễ bị oxi hoá trong tế bào. Vitamin E còn có vai trò quan trọng trong sinh sản. Nhu cầu Vitamin E hàng ngày khoảng 20mg cho một người lớn. 5.2.4. Vitamin K Có nhiều loại Vitamin K, với công thức tổng quát là O CH3 R O Vitamin K cần cho quá trình sinh tổng hợp các yếu tố làm đông máu (prothrombin) cho nên Vitamin K là Vitamin chống chảy máu, thiếu Vitamin K tốc độ đông máu giảm, máu khó đông.
84. 99 Vitamin K có nhiều trong cỏ linh lăng, bắp cải, rau má, cà chua, đậu, ngũ cốc, lòng đỏ trứng, thịt bò Thường ở người khoẻ mạnh, vi khuẩn đường ruột có khả năng cung cấp đủ Vitamin K cho nhu cầu của cơ thể, chỉ cần bổ sung thêm khoảng 0,2-0,3mg/ngày/người. 5.2.5. Vitamin F Vitamin F là các acid béo không no như linoleic acid, linolenic acid, arachidonic acid Vitamin F có tác dụng nuôi da, tiêu mỡ. Thiếu Vitamin F động vật chậm lớn, viêm da, rụng lông, hoại tử đuôi. Vitamin F có nhiều trong các loại dầu thực vật. 5.2.6. Vitamin Q (Ubiquinon) Vitamin Q lần đầu tiên được tách ra từ mỡ động vật vào năm 1955. Cấu trúc và chức năng của Vitamin Q gần tương tự như Vitamin K và F. Vitamin Q tham gia vào các quá trình oxi hoá-khử của cơ thể với chức năng thành viên của chuỗi vận chuyển điện tử của ty thể. Vitamin Q có trong nhiều đối tượng như vi sinh vật, thực vật, động vật 5.2.7. Vitamin P (Rutin) Vitamin P là nhóm Vitamin có cấu trúc từ flavon. Hiện nay người ta đã phát hiện khoảng 150 loại chất flavonoid khác nhau có tác dụng như Vitamin P, trong đó có 10 chất đã được nghiên cứu kỹ. Thiếu Vitamin P xảy ra hiện tượng tăng tính thấm của mao quản, chảy máu bất thường, mỏi mệt, suy nhược cơ thể. Vitamin P có tác dụng làm giảm tính thấm của thành mao quản. Vitamin P còn có thể tham gia vào quá trình oxi hoá khử của cơ thể như chức năng của Vitamin C. Nhu cầu Vitamin P khoảng bằng 50% nhu cầu Vitamin C.