›
›

Bài giảng Sinh học đại cương (Sinh hóa tĩnh) - Nguyễn Ngọc Châu (Phần 1)

pdf 60 trang hapham 2110
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Sinh học đại cương (Sinh hóa tĩnh) - Nguyễn Ngọc Châu (Phần 1)", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_sinh_hoc_dai_cuong_sinh_hoa_tinh_nguyen_ngoc_chau.pdf

Nội dung text: Bài giảng Sinh học đại cương (Sinh hóa tĩnh) - Nguyễn Ngọc Châu (Phần 1)

  1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC NƠNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÀI GIẢNG MƠN HỌC SINH HĨA ĐẠI CƢƠNG ( SINH HĨA TĨNH ) NGUYỄN NGỌC CHÂU, Th.S Khoa Nơng học Năm 2008 1
  2. MỞ ĐẦU Sinh hĩa học là một ngành khoa học chuyên nghiên cứu thành phần hĩa học của sinh vật nĩi chung, những chuyển hĩa của các chất và quá trình chuyển hĩa năng lượng trong họat động sống của một cơ thể sống Sinh hĩa học gồm 2 phần : sinh hĩa tĩnh và sinh hĩa động Sinh hĩa tĩnh nghiên cứu cấu tạo hĩa học của các vật chất trong một cơ thể sống. Sinh hĩa động nghiên cứu những chuyển hĩa của những vật chất trong suốt quá trình sống của sinh vật. Sinh hĩa trở thành một ngành khoa học độc lập nửa sau của thế kỷ 19; bởi vì sự cố gắng làm tăng năng suất cây trồng và sử dụng các thực vật khác nhau để làm thức ăn, làm thuốc, làm chất liệu may đã khiến con người phải nghiên cứu các thành phần cấu tạo của thực vật và sự ảnh hưởng của các chất khác nhau đến sự phát triển và sinh trưởng của chúng. Đấu tranh với bệnh tật làm cho con người phải nghiên cứu các quá trình xảy ra trong cơ thể người khỏe và người bệnh cũng như ảnh hưởng của các thuốc lên cơ thể con người. Sinh hĩa là một ngành khoa học trẻ so với các ngành khoa học khác, nhưng những năm gần đây nĩ đã và đang phát triển và cĩ nhiều ứng dụng cĩ hiệu quả trong nhiều lĩnh vực như nơng lâm nghiệp, dược, cơng nghiệp bảo quản chế biến lương thực thực phẩm, cơng nghệ sinh học và các lĩnh vực nghiên cứu sinh học. Nhiệm vụ của sinh hĩa là nghiên cứu tìm hiểu thành phần cấu tạo, tính chất của các chất trong cơ thể sống và đồng thời phải nghiên cứu chúng biến đổi ra sao trong suốt quá trình sống; đĩ là hai quá trình đồng hĩa và dị hĩa song song tồn tại trong một cơ thể sống. Chỉ trên cơ sở hiểu biết sâu sắc những diễn biến đĩ chúng ta mới cĩ khả năng điều khiển chúng xảy ra theo chiều hướng cĩ lợi nhất 2
  3. Sinh hĩa gắn liền mật thiết với nhiều mơn học khác như sinh lý, vi sinh, di truyền, bảo quản; những kiến thức sinh hĩa sẽ giúp cho sinh viên tiếp thu nhanh chĩng các mơn khoa học cơ sở cũng như các mơn khoa học chuyên mơn. Do đĩ tập bài giảng này sẽ được phân làm 2 phần: Phần thứ nhất: Mơ tả cấu tạo hĩa học của tất cả những chất cĩ trong một cơ thể sống. Phần thứ hai : Mơ tả sự thối biến ( hịan nguyên ) và sự tái tổng hợp những vật chất của một cơ thể trong quá trình sống 3
  4. GLUCIDE 1- GIỚI THIỆU CHUNG : Glucide là thành phần cấu tạo chính ở thực vật ( 80%), nĩ cịn là thành phần dự trữ. Ngồi ra glucide là chất cung cấp năng lượng chính cho các hoạt động sống của sinh vật. Glucide thường được gọi là chất đường. Glucide được tạo thành từ quá trình quang hợp của thực vật xanh. ÁNH SÁNG 6CO2 6H2O C6H12 O6 6O2 DIỆP LỤC TỐ ( CÂY XANH ) 2- PHÂN LOẠI : Dựa vào khối lượng phân tử glucide cĩ những dạng sau : Đƣờng đa : thường được gọi là polysaccharide cĩ khối lượng phân tử lớn, là thành phần cấu tạo và chất dự trữ ở sinh vật như cellulose, tinh bột, glycogen. Đƣờng nhỏ : thường được gọi là oligosaccharide cĩ khối lượng phân tử nhỏ hơn, là sản phẩm của sự phân cắt chưa hồn tồn polysaccharide. Đĩ là những dạng trung gian trong quá trình trao đổi chất. Đƣờng đơn : thường được gọi là monosaccharide cĩ khối lượng phân tử nhỏ nhất, sản phẩm của sự phân cắt hồn tồn polysaccharide, ví dụ như glucose, fructose, 3 - CẤU TẠO HĨA HỌC 3.1– ĐƢỜNG ĐƠN ( MONOSACCHARIDE ) : 3.1.1/ Định nghĩa : Đường đơn là một rượu đa cĩ chứa nhĩm carbonyl ( C=O ), thường cĩ vị ngọt, ở sinh vật đường đơn thường cĩ từ 3 đến 7 đơn vị carbon. 4
  5. H H C O H C OH H C OH C O H C OH H C OH H H 3.1.2/ Tên gọi : Cĩ 3 cách gọi tên cho đường đơn. a/ Gọi tên theo chiều dài dây carbon - Nếu cĩ 3 C thì gọi là triose. - Nếu cĩ 4 C thì gọi là tetrose. - Nếu cĩ 5 C thì gọi là pentose. - Nếu cĩ 6 C thì gọi là hexose. - Nếu cĩ 7 C thì gọi là heptose. b/ Gọi tên theo chức hố học của nhĩm C=O. - Nếu là chức aldehid ( CHO ) thì gọi là aldose. - Nếu là chức ceton (CO ) thì gọi là cetose. c/ Gọi tên theo chiều dài dây carbon và theo chức hố học của nhĩm C=O - Nếu cĩ 3 C và chức aldehid ( CHO ) thì gọi là aldotriose. - Nếu cĩ 3 C và chức ceton (CO ) thì gọi là cetotriose. H H C C O H OH H C OH C O C H H OH C OH H H ALDOSE CETOSE (ALDOTRIOSE) (CETOTRIOSE) 5
  6. H H C C O H OH H C OH C O C H H OH C OH H H ALDOSE CETOSE (ALDOTRIOSE) (CETOTRIOSE) 3.1.3/ Dạng D & L : Đồng phân D & L của đường đơn dựa vào vị trí nhĩm OH của carbon áp chĩt ( đánh số từ nhĩm C=O ) trong cơng thức chiếu Fischer của phân tử. - Nếu ở bên phải thì gọi là dạng D. - Nếu ở bên trái thì gọi là dạng L. H H C1 O C1 O H C2 OH HO C2 H H C3 OH H C3 OH H H D - ALDOSE L - ALDOSE 3.1.4/ Dạng vịng và cấu hình α & β : Liên kết giữa nhĩm CO và OH trong phân tử đường đơn tạo thành một vịng hemiacetal, nếu tạo thành vịng 6 cạnh thì gọi là dạng pyranose, nếu tạo thành vịng 5 cạnh thì gọi là 6
  7. dạng furanose. Khi tạo thành dạng vịng thì xuất hiện nhĩm OH mới tại C của CO ban đầu gọi là OH oside, nếu nhĩm OH này ở bên dưới mặt phẳng phân tử thì gọi là cấu hình α , nếu ở bên trên mặt phẳng phân tử thì gọi là cấu hình β. 1 1 1 H C OH H C O H C OH 2 2 2 H C OH H C OH H C OH 3 3 3 O H C OH H C OH H C OH 4 O 4 4 H C OH H C OH H C 5 5 5 H C H C OH H C OH 6 H H 6 C 6 OH H C OH C OH H H H 6 HO CH2 OH C H 6 2 C 5 O H OH H C H O H H 1 5 C 4 C C 4 C 1 H H H H OH 3 2 H C C OH C 3 C 2 OH (OH oside) (OH oside) OH OH OH OH Vòng 6 cạnh Vòng 5 cạnh (PYRANOSE) (FURANOSE) 7
  8. 6 6 HOcH2 HOcH2 5 OH H 5 H c O c o H H H H H c 4 c H c 4 H 1 H c 1 OH c3 c 2 OH c OH 3 2c OH OH OH OH Dạng vòngcó cấu hình Dạng thẳng 6 HO cH2 5 OH H c o H H H c1 c4 c H H c3 2 OH OH Dạng vòng có cấu hình  3.1.5/ Các đƣờng đơn thƣờng gặp ở sinh vật : 3.1.5.1/ 5 carbon ( pentose ) : - Ribose & Desoxyribose: thường hiện diện ở acide nucleique ( ADN, ARN ) - Arabinose: thường hiện diện trong chất nhày ( gomme arabique ) ở thân của vài loại thực vật. - Xylose: thường hiện diện ở vỏ đậu phọng, cùi bắp, khơng cĩ giá trị dinh dưỡng. 8
  9. H C O H C O OHCH2 O HO C H C C C H C OH C H C OH C C C H C OH H C OH H H - D - ARABINOSE D- ARABINOSE H C O H C O OHCH2 O H C OH C C C HO C H C H C OH C C C H C OH H C OH H H D- XYLOSE - D - XYLOSE ( furan ) C O C C C C - D- XYLOSE ( pyran ) 9
  10. 3.1.5.2/ 6 carbon ( hexose ): - Glucose: là thành phần cấu tạo của nhiều loại đường đa khác như đường mía, đường sữa, tinh bột, cellulose.Glucose tan trong nước, methanol nhưng khơng tan trong etanol. - Manose : hiếm hơn glucose thường ở dạng manane, tìm thấy trong gỗ, hạt. - Galactose: là thành phần cấu tạo của Agar-agar, thường ở dạng galactane. - Fructose: là thành phần chất ngọt chính của trái, cĩ vị ngọt hơn đường mía, là thành phần cấu tạo của Inuline là một đường đa. Fructose cịn cĩ nhiều trong mật ong, mật hoa. HOCH2 1 6 H C O 2 C O H H C OH H 5 3 H 1 HO C H 4 C 4 C OH H H C OH 5 OH 3 2 H C OH C C OH 6 H C OH H OH H - D- GLUCOSE (pyran) 6 D- GLUCOSE HOC H2 OH H OH CH O H 5 6 4 1 H O C C 4 5 OH H HO H C 3 C 2 OH HO 3 2 1 H H OH H OH H OH - D- GLUCOSE (furan) - D- GLUCOSE (pyran) 10
  11. HOCH2 1 6 H C O 2 C O H HO C H H 5 3 H 1 HO C H 4 C 4 C OH H C OH OH 5 OH 3 2 H C OH C C OH 6 H C OH H H H - D- MANOSE (pyran) 6 D- MANOSE HOC H2 OH H HOC H O H 6 5 OH O C 4 C 1 4 5 OH OH HO H C 3 C OH HO 3 2 1 H 2 H H H H H OH - D- MANOSE - D- MANOSE (furan) (pyran) HOCH2 1 6 H C O 2 C O H H C OH OH 5 3 H 1 HO C H 4 C 4 C OH H HO C H 5 H 3 2 H C OH C C OH 6 H C OH H OH H - D- GALACOSE (pyran) 6 D- GALACTOSE HOC H2 OH OH HOC H O H 5 6 4 H C 4 C 1 O OH 5 H H H C 3 C 2 OH HO 3 2 1 H H OH H OH - D- GALACTOSE H OH (furan) - D- GALACOSE (pyran) 11
  12. H 1 H OH C 1 6 O 2 CH2OH C O HOCH2 3 HO C H C 5 C 2 4 H OH H C OH H 5 C 4 C OH H C OH 3 6 H C OH OH H H - D- FRUCTOSE (furan) D- FRUCTOSE 6 O OH HOCH2 C 5 C 2 H OH H C 4 C 3 CH2OH 1 OH H  - D- FRUCTOSE (furan) 3.2 – ĐƢỜNG NHỎ ( OLIGOSACCHARIDE ): 3.2.1/ Định nghĩa: Đường nhỏ là dạng glucide cấu tạo gồm 2 – 10 đơn vị đường đơn kết hợp lại bởi liên kết OSIDE, nĩ thường là chất trung gian, một vài dạng ( từ 2- 4 ) ở dạng tự do và cĩ vị ngọt 3.2.2/ Liên kết oside: Liên kết oside là liên kết eter giữa nhĩm OH oside của đường đơn này và các nhĩm OH cuả đường đơn kế cận. 12
  13. 1 1 1 1 H C OH H C OH H C OH H C OH 2 2 2 2 H C OH H C OH H C OH H C OH 3 3 3 3 H C OH H C OH H C OH H C OH 4 4 4 4 H C OH H C OH H C OH H C OH O O 5 O 5 5 O 5 H C H C H C H C 6 6 6 6 H C OH H C OH H C OH H C OH H H H H 1 1 1 1 H C O C H H C H C OH 2 2 2 2 H C OH HO C H H C OH HO C H 3 3 3 3 H C OH HO C H H C OH HO C H 4 4 4 4 H C OH HO C H H C OH O C H 5 O 5 O 5 O 5 O H C H C H C H C 6 6 6 6 H C OH HO C H H C OH HO C H H H H H LIÊN KẾT OSIDE 1 - 1 LIÊN KẾT OSIDE 1 - 4 Tùy theo vị trí của liên kết mà ta cĩ: Liên kết 1-1. Liên kết 1-2. Liên kết 1-3. Liên kết 1-4 Liên kết 1-6 3.2.3/ Các loại đƣờng nhỏ thƣờng gặp ở sinh vật: 3.2.3.1/ Đƣờng đơi ( disaccharide): 13
  14. - Maltose : ( 1α glucoside – 4 α glucose ) cịn được gọi là mạch nha, sản phẩm trung gian của sự phân hủy tinh bột khi hạt nẩy mầm, thường dùng làm nguyên liệu lên men trong sản xuất bia. - Cellobiose (1β glucoside – 4 β glucose ): là thành phần cấu tạo của cellulose, là sản phẩm phân hủy chưa hồn tồn cellulose. - Lactose (1β galactoside – 4 α glucose ): là thành phần đường sữa. - Gentiobiose (1β glucoside – 6 α glucose ): cĩ trong nấm men. - Melibiose (1α galactoside – 6 α glucose ) : cĩ trong củ cải đường ( phân hủy raffinose ). - Saccharose ( 1α glucoside – 2 β fructoside ): là thành phần chính của đường mía. - Trehalose ( α glucoside – α glucose ): cĩ ở rong biển và nấm . 6 6 HOCH HOCH2 2 5 O 5 O 1 4 1 4 2 O 2 3 3 MALTOSE ( glucosid - 4 glucose) 6 6 HOCH2 HOCH2 5 O 5 O 1 4 1 O 4 2 2 3 3 CELLOBIOSE ( glucoside - 4 glucose) 14
  15. 6 6 HOCH2 HOCH2 5 O 5 O 1 4 1 O 4 2 2 3 3 LACTOSE ( galactoside - 4 glucose) 6 6 HOCH2 CH2 O 5 O 5 O 1 4 1 4 2 2 3 3 GENTIOBIOSE ( glucoside - 6  glucose) 6 6 HOCH2 CH2 O O 5 O 5 1 4 1 4 2 2 3 3 MELIOBIOSE ( galactoside - 6 glucose) 15
  16. 6 HOCH2 O 5 4 1 2 3 6 O HOCH2 O 5 2 4 3 CH2OH 1 SACCHAROSE ( glucoside - 2 fructoside) 3.2.3.2/ Đƣờng ba ( trisaccharide ). - Raffiniose (1-α-galactoside-6-α-glucoside-2-β-fructoside): là thành phần chính của củ cải đường, cĩ nhiều ở hạt bơng , lúa mì nẩy mầm, rỉ đường. 6 6 HOCH2 CH2 O O 5 O 5 1 4 1 4 2 2 3 3 6 O HOCH2 O 2 5 4 3 HOCH2 1 Raffinose (1- -galactoside-6- -glucoside-2--fructoside) 16
  17. 3.2.3.3/ Đƣờng bốn ( tetrasaccharide ): - Stachyose (1-α-galactoside-6-α-galactoside-6-α-glucoside-2-β-fructoside ) cĩ nhiều ở cây họ đậu. 6 6 6 HOCH CH2 2 O CH2 5 O O O 5 O 5 4 1 4 1 4 1 2 2 2 3 3 3 6 O HOCH2 O 2 5 4 3 HOCH 1 2 Stachyose (1- -galactoside-6- -galactoside-6- glucoside-2-- fructoside) 3.3 - ĐƢỜNG ĐA ( POLYSACCHARIDE ): cấu tạo gồm nhiều đường đơn kết hợp lại bằng liên kết oside, thường là thành phần cấu tạo và dự trữ . 3.3.1/ Các dạng đƣờng đa thƣờng gặp: Cĩ 2 loại : Homopolysaccharide & Heteropolysaccharide. - Homopolysaccharide: cấu tạo bởi một loại monosaccharide. - Heteropolysaccharide: cấu tạo bởi nhiều loại monosaccharide. 3.3.1.1/Tinh bột (Amidon) : Cấu tạo bởi 2 thàmh phần : Amylose và Amylosepectine. - Amylose : là một chuổi dài khơng phân nhánh cĩ từ 300 – 1000 đơn vị glucose kết hợp bởi liên kết oside α 1-4, khối lượng phân tử từ 10000 – 100000, cĩ cấu trúc vịng xoắn 17
  18. mỗi vịng xoắn là 6 đơn vị glucose và cho màu xanh với Iod. Amylose tan trong nước nĩng (70 – 800C ) - Amylosepectine là một chuổi dài cĩ phân nhánh, dây nhánh cĩ từ 20 – 25 đơn vị glucose, dây nhánh gắn vào dây chánh bằng liên kết osid 1-6, cho màu đỏ ( tím đỏ ) với Iod. Amylosepectine thì khơng tan trong nước nĩng Trong hạt tinh bột Amylose chiếm 10-30%, Amylosepectine chiếm 70-90%. 6 6 6 6 HOCH2 HOCH2 HOCH2 HOCH2 5 5 5 O O 5 O O 1 1 4 1 4 4 1 4 2 2 2 2 O O 3 3 3 O 3 6 6 HOCH2 HOCH2 5 O 5 O 4 1 4 1 O 2 2 O 3 O 3 n Amylose (1- -glucoside-4- -glucoside) n 18
  19. HOCH2 HOCH2 5 O 5 O 4 4 1 1 2 2 O 3 O 3 O 6 6 6 6 HOCH HOCH2 HOCH2 2 CH2 5 5 5 O O 5 O O 4 4 4 1 4 1 1 1 2 2 2 2 O O 3 3 3 O 3 O 6 6 6 6 HOCH2 HOCH2 HOCH2 CH2 5 5 5 O O 5 O O 4 1 4 1 4 1 4 1 2 2 2 2 O O 3 3 3 O 3 n AMYLOSEPECTINE 3.3.1.2/ Glycogen: là một polysaccharide dự trữ ở động vật và người, phân tử glycogen cĩ cấu tạo phân nhánh tương tự Amylosepectine nhưng mức độ phân nhánh nhiều hơn ( 10-18 đơn vị glucose thì cĩ một nhánh ). Glycogen hịa tan trong nước nĩng, cho màu tím đỏ hoặc đỏ nâu với Iod. 3.3.1.3/ Cellulose: là một chuổi dài ( khoảng 8000 ) glucose kết hợp bởi liên kết β 1-4 là thành phần chính của vách tế bào thực vật. 19
  20. HOCH2 HOCH2 O O O 4 4 1 O 1 O n CELLULOSE ( 1--glucoside- 4-  - glucoside ) n 3.3.1.4/ Galactane: gồm nhiều galactose nối với nhau bởi liên kết 1-4 β, là một thành phần dự trữ. HOCH2 HOCH2 1 O O O O O 4 4 4 1 1 3 3 n GALACTANE(1-- galactoside-4-- galactoside )n 3.3.1.5/ Araban ( n arabinose ): gồm nhiều arabinose ở dạng furan liên kết bởi liên kết oside 1-5, ngồi ra mỗi arabinose cịn liên kết với một gốc arabinose thứ hai bởi liên kết oside 1-3. 20
  21. 3.3.1.6/ Xylan ( n xylose ) : nhiều xylose ở dạng pyran nối với nhau bằng liên kết 1-4. 3.3.1.7/ Hemicellulose : gồm cĩ glucose, galactose, fructose, manose, arabinose, xylose. Tùy theo lồi thực vật mà loại đường đơn nào đĩ chiếm ưu thế, nĩ cĩ nhiều trong vỏ trấu, rơm . 3.3.1.8/ Agar- agar (n galactosepyranose ): cĩ ở rong biển , chỉ tan ở nước nĩng và đơng lại khi nguội, nĩ gồm 2 thành phần là agarose và agarosepectine, agarose ( β- D&L galactose liên kết nhau bởi 1-4 hay 1-3 ) cịn agarose pectine thì một số gốc galactose bị ester hĩa bởi acid sulfuric. 3.3.1.9/ Inuline ( n fructose ) : hiện diện nhiều ở củ mẫu đơn. 1 O O O 4 4 1 O 1 O 3 2 3 2 CH2 CH2 5 5 5 n O O 4 1 3 2 HOCH2 5 ARABANE ( 1 - arabinoside -5- -arabinoside )n 21
  22. HOCH2 HOCH2 1 O O O O O 4 4 4 1 1 O 3 3 3 n AGAROSE ( 1--galactoside- 4(3)-  - galactoside) n 1 O O O 4 1 4 O 1 O 4 3 n XYLANE(1-- xyloside- 4-- xyloside )n 3.3.1.10/ Pectine: cĩ trong trái, củ đặc biệt là trong cùi trắng của trái bưởi, cam, chanh, cấu tạo bởi các acid α galacturonic kết hợp bởi liên kết 1-4 và một số được metyl hĩa ở C6. 3.3.1.11/ Chitine: cĩ ở nấm, cấu tạo bởi nhiều đơn vị N-acetylglucosamin dạng β nối nhau bởi nối 1-4. 22
  23. COOH COOH O O 4 O 4 1 O 1 O n ACID PECTIC ( 1- -galacturonide- 4- - galacturonide ) n ( acid polygalacturonic) COOCH3 COOCH3 O O 4 O 4 1 O 1 O n ester metyl ACID PECTIC ( ester metyl galacturonide ) n ( polygalacturonatmetyl) HOCH2 HOCH2 1 O O O 4 1 4 O 1 O 4 3 H3CONH H3CONH n CHITINE (1-- acetylglucosamin- 4-- acetylglucosamin )n 4 – Tính chất: 4.1/ Tính khử: Sự hiện diện của nhĩm C=O trong cơng thức cấu tạo làm cho glucide cĩ tính khử, tấi cả đường đơn đều thể hiện tính khử. Khi khử thì glucide bị oxyd hĩa thành acid, nếu bị 23
  24. oxyd hĩa đầu CHO thì tạo thành acid aldonic, cịn nếu bị oxyd hĩa đầu OH thì tạo thành acid uronic. CHO COOH H OH H OH H OH H OH (O) H OH H OH H OH H OH CH2OH CH2OH Acid aldonic CHO H OH H OH H OH H OH COOH Acid uronic 4.2/ Tính chất của rượu đa: 4.2.1/ Polyester: Glucide cĩ nhiều nhĩm OH nên sẽ tạo polyester với acid tại C 2, 3, 4 ,5, 6. Thường người ta cho glucid phản ứng với acid acetic tạo nên các acetate khơng tan trong nước. dựa vào tính chất này để ly trích các glucide ra khỏi dung dịch. 4.2.2/ Polyether: Glucide cĩ nhiều nhĩm OH nên sẽ tạo polyether với rượu tại C 1, 2, 3, 4, 5, 6. nếu ether hĩa tại nhĩm OH osid thì tạo nên sản phẩm gọi là glycoside,nhĩm rượu liên kết trong sản phẩm này gọi là aglycon. 4.2.3/ Tạo thành tinh thể: Nhĩm C=O cĩ thể tạo phản ứng thế với một baz N như hydrazine ( H2N – NH2 ) để tạo osazone cĩ cấu tạo tinh thể đặc trưng cho từng loại monosaccharide. 24
  25. PROTEINE 1 - GIỚI THIỆU CHUNG : Proteine là thành phần cấu tạo chính của các mơ động vật ( 40 – 50% trọng lượng khơ ), ở thực vật ( 5 -15% trọng lượng khơ ) , chất dự trữ ở một số lồi thực vật như hạt đậu nành ( 25 – 35% ). Là một thành phần khơng thể thiếu trong sinh vật sống nên Proteine cĩ nhiều chức năng quan trọng và nhiều đặc điểm như: - Đa dạng về cấu tạo. - Tính đặc hiệu về lồi rất cao. - Cĩ hoạt tính sinh học . Proteine cĩ những chức năng chính sau : - Xúc tác : thành phần cấu tạo của các enzyme. - Bảo vệ : thành phần cấu tạo của các kháng thể. - Hormone : thành phần cấu tạo của các kích thích và chất ức chế. - Dự trữ : là chất dinh dưỡng cho phơi phát triển. Định nghĩa : Proteine là chất hữu cơ, cĩ khối lượng phân tử cao, cĩ chứa N (16% ) tạo thành bởi các acide amine. 2 - PHÂN LOẠI : Dựa vào lý hĩa tính, chủ yếu là tính hồ tan và khối lượng phân tử mà chia làm 2 loại : Proteine đơn giản: dựa vào tính hịa tan khác nhau của chúng. - Albumine : tan trong nước, khối lượng phân tử nhỏ; ví dụ như albumine của trứng, ở thực vật thường cĩ ở hạt ( 0,1 – 0,5% ) như Leucosine ( lúa mì, lúa mạch, lúa đại mạch ), Legumeline ( đậu nành ), Ricinine ( hạt thầu dầu ). - Globuline : chỉ tan trong dung dịch lỗng muối trung tính (KCl, NaCl 4- 10% )cĩ nhiều ở thực vật, chủ yếu trong hạt cây họ đậu; khối lượng phân tử M = 100.000 – 300.000. 25
  26. - Prolamine : chỉ tan trong rượu ethylic 70-80% và cĩ nhiều ở cây thân thảo ( chứa nhiều prolin, các amid & acide glutamique ); ở lúa mì và lúa mạch đen chứa prolamine cĩ tên là gliadine, khối lượng phân tử của prolamine M = 26.000 – 40.000. - Gluteline : chỉ tan trong dung dịch acid hay kiềm lỗng ( 0.2- 2% ), cĩ ở hạt ( 1-3% trọng lựơng hạt ). - Protamine : khối lượng phân tử nhỏ M = 8.000 – 10.000, cĩ tính baz rất rõ vì hàm lượng arginine khá lớn, hiện diện nhiều ở phấn hoa, protamine tan trong nước và baz. Protein phức tạp : cịn được gọi là Proteide, cĩ cấu tạo ngồi thành phần acid amin cịn cĩ một nhĩm khơng phải protein. - Phosphoproteide: proteine + acid phosphoric ,ví dụ Casein cĩ trong sữa động vật. - Lipoproteide : proteine + dẫn xuất của Lecithine, cephaline và những lipid khác. - Glucoproteide : cịn gọi là mucoproteide gồm protein + glucid. - Metalloproteide : proteine + kim loại; đây là cấu tạo của enzyme ví dụ như Catalase, Peroxydase, Cytochrome cĩ chứa Fe ; ascorbatoxydase và p- diphenoloxydase cĩ chứa Cu. - Cromoproteide : proteine + nhĩm phi proteine bất kỳ ví dụ như hợp chất chlorophyll trong quang hợp thường kết hợp với một proteine. - Nucleoproteide : proteine + acid nucleic. 3 - CẤU TẠO HĨA HỌC : 3.1- Acid amin : Acid amin là đơn vị cấu tạo cơ bản của proteine ; acid amin là dẫn xuất của acid hữu cơ, đồng thời cĩ chức acid ( COOH ) và chức kiềm ( NH2 ). Acid amin cĩ cơng thức tổng quát là: 26
  27. H2N CH COOH R Các acid amin cĩ thể cĩ 2 nhĩm NH2 hoặc 2 nhĩm COOH ; nhĩm R cĩ thể là nhĩm alkyl, aryl vv. Các acid amin đầu tiên là Aspararin và Cystin được phát hiện vào năm 1806 và 1810, vào thế kỷ này người ta biết được gần 20 acid amin căn bản cĩ mặt trong thành phần của các phân tử protein và đến cuối những năm 40 của thế kỷ này ngưới ta biết được gần 40 acid amin thiên nhiên. 3.1.1– Các acid amin thƣờng gặp trong proteine : 3.1.1.1/ Acid amin trung tính : nhĩm R là nhĩm trung tính. O O O H N CH C OH H2N CH C OH H2N CH C OH 2 CH H CH3 2 OH Glycine Alanine Serine (Gly) (Ala) (Ser) (G ) (A) (S) O O O H2N CH C OH H2N CH C OH H2N CH C OH CH2 CH2 CH2 S S SH Cysteine Cystine (CysSH) (CysS-S) (CSH) (CS-S) 27
  28. O O O H N CH C OH 2 H2N CH C OH H2N CH C OH CHOH CHCH3 CH2 CH3 CH3 CH2 CH3 Threonine Valine Nor-Valine (Thr) (Val) (N-Val) (T) (V) (N-V) O O O H2N CH C OH H2N CH C OH H2N CH C OH CH2 CH2 CH2 3 CH2 CHCH3 CH S 3 CH3 CH3 Leucine Nor- Leucine Methionine (Leu) (N- Leu) (Met) (L) (N-L) (M) O O O H2N CH C OH H2N CH C OH H2N CH C OH CH2 CH2 CH CH3 CH2 CH3 Isoleucine Phenylalanine OH (ILeu) (Phe) ( IL) (F) Tyrosine (Tyr) (Y) O H2N CH C OH CH2 HN Tryptophane (Try) (W) 28
  29. 3.1.1.2/ Acid amin acid : nhĩm R cĩ tính acid . O H2N CH C OH O CH2 H2N CH C OH CH2 CH2 C O C O OH OH ACIDE GLUTAMIQUE ACIDE ASPARTIQUE (Glu) (Asp) (E) (D) 3.1.1.3/ Acid amin kiềm : nhĩm R cĩ tính kiềm. O O H2N CH C OH H2N CH C OH CH2 CH2 CH2 CH 2 CH2 CH2 NH CH2 C NH NH2 NH2 LYSINE ARGININE (Lys) (Arg) (K) (R) O H2N CH C OH CH2 N NH HISTIDINE (His) (H) 29
  30. 3.1.1.4/ Các acid amin khác : imino acid O O C OH C OH HN HN OH PROLINE HYDROXYPROLINE (Pro) (ProOH) (P) (POH) Acid amin cần thiết là những acid amin mà cơ thể khơng tự tổng hợp được phải đưa từ bên ngồi vào. Chúng gồm : Valine, Leucine, Isoleucine, Methionine, Threonine, Phenylalanine, Tryptophane, Lysine, Histidine 3.1.1.5- Dạng D&L của acid amin : 3.1.1.5.1/ Trường hợp cĩ một C* ( Cα ), người ta chọn Serine làm chất để qui ước; nếu nhĩm NH2 ở bên phải là dạng D, nếu ở bên trái là dạng L. COOH COOH H NH2 H C 2HN C CH2OH CH2OH D- serine L- serine 30
  31. 3.1.1.5.2/ Trường hợp cĩ 2 C* ( Cα và Cβ) thì qui ước như sau : - Nếu Cα dạng D và Cβ dạng D thì gọi là D. - Nếu Cα dạng L và Cβ dạng L thì gọi là L. - Nếu Cα dạng D và Cβ dạng L thì gọi là D- allo. - Nếu Cα dạng L và Cβ dạng D thì gọi là L - allo. COOH COOH H2N C H H C NH2 C H3C H H C CH3 CH2CH3 CH2CH3 L- isoleucine D- isoleucine COOH COOH H C NH2 H N C H 2 H H3C C H  C  CH3 C2H5 C2H5 D- allo-isoleucine L- allo-isoleucine 3.1.1.6/ Tính lƣỡng tính của acid amin : Sự hiện diện đồng thời của 2 chức acid và kiềm trong cấu tạo của acid amin làm cho nĩ vừa cĩ tính acid vừa cĩ tính baz. 31
  32. CH CH H3N CH COOH H2N COOH H2N COO H H R R R CATION ( ) ANION ( ) CH H3N COO R ION lưỡng cực ( ) Chú thích : Equivalents of OH¯ : trị số tương đương của OH¯ . Zwitterions : ion lưỡng cực. pI : điểm đồng điện tích. 32
  33. 3.2- Proteine Proteine là sự trùng hợp của nhiều acid amin bởi liên kết Peptide nên cịn được gọi là polypeptide. 3.2.1/ Liên kết peptide: Liên kết peptide là liên kết amide giữa nhĩm COOH và nhĩm NH2 cuả 2 acid amin kề nhau Nếu 2 acid amin liên kết nhau thì tạo thành dipeptid. Nếu 3 acid amin liên kết nhau thì tạo thành tripeptid Nếu 4 acid amin liên kết nhau thì tạo thành tetrapeptid Nếu 5 acid amin liên kết nhau thì tạo thành pentapeptid Nếu nhiều acid amin liên kết nhau thì tạo thành polypeptid. O O H2N CH C OH H N CH C OH R1 H R2 O O H2N CH C N CH C OH R1 H R2 33
  34. O O O O H2N CH C OH H2N CH C OH H2N CH C OH H2N CH C OH R1 R2 R3 Rn H H H H O H2N CH C N CH C N CH C N N CH C OH R1 O R2 O R3 O Rn POLYPEPTIDE Tên gọi của peptide tạo thành gồm tên của các acid amin thành phần trong đĩ tên acid amin cuối cùng ( cịn nhĩm COOH ) vẫn giữ nguyên cịn tên các acid amin khác thì cĩ tân cung là “ –il”. Ví dụ: Alanin – Serin – Aspartic – Glycin, thì cĩ tên là Alanilserilaspartilglycine. 3.2.2/ Liên kết phụ: Ngồi liên kết chính peptide phân tử proteine cịn cĩ những liên kết phụ khác như: - Liên kết S_S: Liên kết này cịn gọi là liên kết disulphur, xuất hiện khi 2 nhĩm SH của 2 cysteine ở gần nhau của cùng một mạch hay 2 mạch polypeptide. - Liên kết hidro : Là liên kết bổ sung hình thành giữa nguyên tử hidro ở trạng thái đồng hĩa trị ( cĩ điện tích dương ) với nguyên tử nhận nào đĩ cũng ở trạng thái đồng hĩa trị ( nhưng tích điện âm ). - Liên kết muối : + Liên kết này là do lực hút tĩnh điện giữa các nhĩm acid và baz ví dụ giữa nhĩm NH3 của các acid diamino monocarboxylic ( Lysine, Arginin) và COO ¯ của các acid monoaminodicarboxylic (acid glutamic, acid aspartic ). Đặc điểm trong cấu tạo của mạch polypeptide là các nguyên tử C và N trong mạch được phân bố gần như là trên cùng mặt phẳng, trong khi các nguyên tử H và các nhĩm CH-R tạo với mặt phẳng đĩ một gĩc 1090 28/. 34
  35. 3.2.3/ Sự phân giải liên kết peptide: Sự phân giải liên kết peptide sẽ giải phĩng các acid amin tự do. 3.2.3.1/ Phân giải bằng acid : Dùng acid chlorhydric 6N ( 20% ) ở 1150C, trong điều kiện chân khơng, nếu khơng thì tryptophan bị phân hủy hồn tồn. Phương pháp này được sử dụng để làm nước tương. 3.2.3.2/ Phân giải bằng kiềm: Đun nĩng proteine với các dung dịch kiềm lỗng ở 1000C, hiệu năng cao hơn khi dùng acid nhưng hàng loạt acid amin bị phân hủy. 3.2.3.3/ Phân giải bằng enzyme: Sự phân giải này được thực hiện ở 370C bởi các enzyme thủy phân. Sự phân giải này thường dùng để điều chế các peptide là những sản phẩm phân cắt chưa hồn tồn các proteine. 4 - CẤU TRÚC CỦA PROTEINE: Phân tử protein được sắp xếp một cách hồn chỉnh nhờ các liên kết để hình thành nên các cấu trúc nhất định. 4.1/ Cấu trúc bậc một: Cấu trúc bậc một là thành phần và trật tự sắp xếp của các acid amin trong phân tử. Tính chất của proteine phụ thuộc vào cấu trúc bậc nhất của nĩ. Phân tử proteine sẽ thay đổi hồn tồn tính chất của nĩ nếu 1 acid amin nào đĩ trong phân tử bị sắp xếp khơng đúng vị trí hoặc bị thay thế bằng 1 acid amin khác. Tình trạng nhầm lẫn này đơi khi làm xáo trộn tồn bộ hoạt động của cơ thể và gây ra những bệnh hiểm nghèo được gọi chung là ”bệnh phân tử”. Danh từ “bệnh phân tử” ám chỉ những rối loạn hoạt động sống do sự biến đổi trong cấu trúc của những phân tử nào đĩ trong cơ thể. Ví dụ bệnh thiếu máu hồng cầu hình lưỡi liềm; hồng cầu của những người mắc bệnh này khơng cĩ dạng hình cầu mà cĩ dạng hình lưỡi liềm. HbS là hemoglobin của người bệnh khác HbA là hemoglobin của người khỏe là cĩ độ hịa tan thấp do đĩ kết tinh trong hồng cầu làm cho hồng cầu cĩ dạng lưỡi liềm. Nguyên nhân: 35
  36. HbA : His – Val – Leu – Thr – Pro – Val – Glu – Lys - HbS : His – Val – Leu – Thr – Pro – Val – Val – Lys - 4.2/ Cấu trúc bậc hai: Cấu trúc bậc hai là cấu hình đặc trưng của một hoặc một số mạch polypeptide tham gia trong thành phần cấu tạo của phân tử protein. Liên kết hidro là liên kết chính trong việc hình thành cấu trúc bậc hai ; các nhĩm CO và NH trên cùng 1 mạch polypeptide cĩ thể hình thành các liên kết hidro, mặc dù năng lượng của nối này khơng lớn nhưng vơ số các nối hydro đĩ cĩ tác dụng như một lực kéo làm cho các mạch polypeptide đĩ cuộn lại thành những vịng xoắn ốc ( lị xo ) bền vững. Cấu hình xoắn lị xo này gọi là cấu trúc α. Nếu liên kết hidro hình thành giữa những mạch polypeptide kế cận tạo thành trạng thái duổi thẳng của các mạch. Cấu hình thẳng này gọi là cấu trúc β. Những quan sát và tính tốn chi tiết cho thấy mỗi vịng xoắn gồm 3,6 gốc acid amin nghĩa là 18 gốc acid amin sẽ tạo nên 5 vịng xoắn trọn vẹn. các đuơi acid amin ( nhĩm R ) đều hướng ra ngồi và hơi chếch về đầu acid amin tận cùng ( nơi bắt đầu của phân tử ). Mạch xoắn cĩ hướng quay phải. Nếu nhìn vào mặt cắt ngang của mạch từ đầu N tận cùng sẽ thấy mạch xoay theo chiều kim đồng hồ. Mỗi bước của mạch xoắn ( khoảng cách giữa các vịng xoắn ) bằng 5,4 Ǻ; vậy chiều dài mỗi gốc acid amin bằng 5,4 : 3,6 = 1,5 Ǻ, gĩc dốc của mỗi vịng xoắn là 260, hầu như tất cả proteine dễ tan cũng như khĩ tan đều cĩ cấu trúc α. Tuy nhiên khơng phải tất cả proteine đều xoắn trên tồn bộ mạch polypeptide. 4.3/ Cấu trúc bậc ba : Sự hiện diện của các liên kết phụ ( hidro, S - S, ion, ester, ) làm cho các cấu hình xoắn lị xo α và duổi thẳng β sắp xếp thành một cấu hình nhất định nào đĩ trong khơng gian. Cấu hình này gọi là cấu trúc bậc ba; cấu trúc bậc ba cho ta khái niệm hồn chỉnh về hình dạng, thể tích và sự sắp xếp tương hỗ giữa các khu vực xoắn hoặc thẳng của mạch polypeptide. Cấu trúc bậc ba được xác định nhờ cấu trúc bậc một của nĩ, bởi vì sự tương tác giữa các gốc acid amin với nhau cĩ vai trị quyết định trong việc giữ vững vị trí của mạch polypeptide trong khơng gian. 4.4/ Cấu trúc bậc bốn : 36
  37. Phân tử của nhiều loại proteine được cấu tạo bởi nhiều mạch polypeptide, chúng nối với nhau bởi các liên kết như là hidro, ion, liên kết liên phân tử, Như vậy mỗi phân tử loại này được cấu tạo bởi nhiều đơn vị ( mỗi đơn vị là một mạch polypeptide ). Sự sắp xếp tương hỗ trong khơng gian của những đơn vị này thành một cấu hình nhất định nào đĩ được gọi là cấu trúc bậc bốn của proteine. Ví dụ Hemoglobine ( M= 68.000 ). Hb được cấu tạo bởi 4 mạch polypepyide ( 4 đơn vị ) cấu trúc bậc I, II, III, IV của những đơn vị đĩ đã được xác định hồn tồn; chúng giống nhau từng đơi một vì vậy được chia làm loại ; 2 đơn vị α và 2 đơn vị β; mỗi đơn vị gắn với một phân tử Hem ( hợp chất chứa sắt ) ; cả 4 đơn vị này sắp xếp tương hỗ với nhau theo qui luật hồn tồn xác định làm cho phân tử Hemoglobine cĩ dạng gần như hình cầu với các kích thước 50 x 55 x 64Ǻ. Các tính chất sinh học của proteine phụ thuộc rất nhiều vào cấu trúc bậc I, tức thành phần acid amin và trật tự sắp xếp, cũng như cấu trúc bậc II, tức mức độ xoắn và cấu trúc bậc III, tức hình dạng trong khơng gian của mạch polypeptide. Bất kỳ sự thay đổi nào trong 4 cấu trúc này đều làm thay đổi các tính chất sinh học của proteine. 5 – SỰ BIẾN TÍNH CỦA PROTEINE : Dưới ảnh hưởng của những tác nhân như nhiệt, hĩa chất, tia phĩng xạ proteine sẽ mất đi tất cả những lý hĩa tính và tính chất sinh học của nĩ do sự phá vỡ các các cơ cấu khơng gian của nĩ ( các cấu trúc ). Ví dụ :Albumine thường tan trong nước, nhưng khi đun nĩng thì bị biến tính và sẽ khơng tan và bị tủa . Enzyme khi bị biến tính sẽ khơng cịn khả năng họat động được nữa 37
  38. Chú thích : Primary structure : cấu trúc bậc một. alpha hetix : cấu trúc xoắn α. Secondary structure : cấu trúc bậc hai. β pleated sheet : cấu trúc thẳng β 38
  39. Tertiary structure : cấu trúc bậc ba. Quaternary strcture : cấu trúc bậc bốn 6 – CÁC PHẢN ỨNG HĨA HỌC ĐẶC BIỆT: 6.1/ Của acid amin : 6.1.1/ Phản ứng với ninhidrin : do 2 chức acid ( COOH ) và ( NH2 ) mà acid amin tác dụng với thuốc thử nhidrin tạo thành sản phẩm màu tím. Dùng phản ứng này để phát hiện acid amin. 1/ O O H O O 2 H2N CHC OH R O acide amine ninhidrin O H CO2 NH3 RCHO OH O dicetooxyhydrinden 2/ O O H NH3 O OH O O O NH4 O O O NH3 N N 2H2O O O O O Sản phẩm màu tím đỏ Đối với prolin thì cho màu vàng. 6.1.2/ Hĩa tính : 6.1.2.1/ Do nhĩm NH2 39
  40. Tính kiềm : tạo thành một muối ¯ + H2N-CHR-COOH + HCl → Cl 3HN - CHR – COOH Phản ứng alkyl và aryl hĩa : tạo thành một amin bậc 4 + Ví dụ ( CH3 )3 N - CH-R –COOH 6.1.2.2/ Do nhĩm CO2 Acid amin + CO2 → Ncarboxy acid amin ( chất này thấy ở protein của máu động vật ) 6.2/ Của protein : Phản ứng Biuret: dùng phát hiện protein; proteine tác dụng với CuSO4 trong mơi trường kiểm NaOH sẽ tạo phức chất màu tím. O 2NaOH H2N CH C N CH C N CH C N CH C OH Cu(OH)2 R1 OH R2 OH R3 OH R4 R2 C N CH C O O N R1 CH 2Na 4OH Cu CH R3 NH2 C O O C CH NH2 O R4 PHỨC CHẤT BIURET (xanh tím ) 7 – CÁC PHẢN ỨNG MÀU ĐẶC TRƢNG CỦA ACID AMIN : Phản ứng XANTHOPROTEIC : Phát hiện acide amine cĩ nhân benzen như Phe, Tyr, Try. Proteine + HNO3 đậm đặc cho tủa màu vàng Phản ứng MILLON : Phát hiện Tyr : Proteine + Hg(NO3)2 & Hg NO2 cho tủa màu hồng hay đỏ. Phản ứng ADAMKIEVIC : Phát hiện Try. Proteine + CHO-COOH (acid glyoxylic) trong H2SO4 cho màu tím xanh 40
  41. Phản ứng SAKAGUCHI : Phát hiện Arg. Proteine +NaClO ( hypochlorit Na) trong mơi trường cĩ α naptol cho tủa màu đỏ . Phản ứng FOLIN : Phát hiện Tyr, Try : Proteine + acid phosphomolybdotungstic cho tủa màu xanh. Phản ứng với acetat chì : Phát hiện CysSH, CysSS. Met : Proteine + CH3(COO)2Pb cho tủa PbS màu nâu. Phản ứng NITROPRUSSIADE : Phát hiện acid amin cĩ S : Proteine + NH4OH cho màu đỏ Phản ứng PAULY : Phát hiện His: Proteine + acid diazosulfanilic trong mơi trường kiềm cho màu đỏ cam 41
  42. ENZYME 1- GIỚI THIỆU CHUNG: Trong hoạt động sống của sinh vật nĩi chung luơn xảy ra những phản ứng thối biến ( dị hĩa ) và tổng hợp ( đồng hĩa ); sở dĩ những phản ứng đĩ xảy ra nhanh chĩng và hồn tồn là nhờ sự hiện diện của những chất xúc tác sinh học gọi chung là enzyme. Enzyme đĩng vai trị cực kỳ quan trọng đối với sự sống, vì nếu khơng cĩ sự hiện diện của enzyme thì các quá trình trao đổi chất khơng thể xảy ra; và nếu chỉ thiếu một vài enzyme thì quá trình sống sẽ bị rối loạn và đưa đến kết quả là sự sống bị hủy diệt. Định nghĩa: enzyme là chất hữu cơ cĩ ở sinh vật sống, giữ vai trị chất xúc tác cho các phản ứng xảy ra trong quá trình sống của sinh vật đĩ. 2 - BẢN CHẤT HĨA HỌC: Ban đầu người ta cho rằng chất xúc tác sinh học ( enzyme ) là một tổ chức cĩ sự sống như những vi sinh vật; về sau khi nhận thấy những chất ly trích được từ sự nghiền nát “con men” sống ấy cũng cĩ khả năng xúc tác như bản thân “con men” đĩ thì khơng cịn sự phân biệt giữa 2 khái niệm ferment ( con men ) và enzyme ( chất ly trích từ con men ). Hiện nay bản chất hĩa học của enzyme được xác định rõ ràng : chúng đều là proteine; trong số đĩ một số thuộc loại proteine đơn giản : enzyme đơn giản; và một số thuộc loại proteine phức tạp ( enzyme 2 thành phần). 2.1/ Enzyme một thành phần : Cấu tạo bởi những acid amin, hoạt tính xúc tác của enzym loại này là do cơ cấu của proteine cấu tạo nên quyết định ( do 1 số nhĩm, chức của phân tử proteine ) Nơi gắn các nhĩm, chức hoạt đơng này gọi là trung tâm hoạt động của enzyme; trung tâm hoạt động này phụ thuộc vào cấu trúc bậc I, II, III, IV của proteine enzyme. Nếu cơ cấu này bị phá vỡ thì hoạt tính của enzyme bị phá hủy theo ( mất hoạt động ). 42
  43. 2.2/ Enzyme hai thành phần : Cấu tạo bởi ngồi phần proteine cịn cĩ 1 thành phần khơng phải proteine ( nhĩm thêm ). ở một vài enzyme thì nhĩm thêm này gắn chặt với phần proteine, trường hợp cịn lại thì nhĩm thêm này dễ tách rời khỏi phần proteine. Phần proteine gọi là Apoenzyme; phần khơng phải proteine gọi là Coenzyme. Apoenzyme thì cĩ phân tử lượng rất lớn cịn Coenzyme thì cĩ cấu tạo đơn giản hơn. Hoạt tính xúc tác của enzyme 2 thành phần là do Coenzyme quyết định; tuy nhiên hoạt tính của Coenzyme gia tăng lên và cĩ tính chuyên biệt khi được gắn liền với Apoenzyme. 2.3/ Trung tâm họat động: Một phần nhỏ của phân tử enzyme chứa các nhĩm, chức trực tiếp kết hợp với cơ chất, tham gia trực tiếp trong việc hình thành, cắt đứt các liên kết v v để tạo sản phẩm phản ứng gọi là trung tâm họat động của enzyme. Trung tâm họat động bao gồm nhiều nhĩm chức khác nhau của acid amin; trong nhiều trường hợp cĩ cả ion kim lọai, các nhĩm chức của coenzyme. Các nhĩm chức thường gặp là : - Nhĩm SH của cysteine - Nhĩm NH2 đầu cuối hoặc ε NH2 của lysine - Nhĩm COOH của glutamic, asparaginic - Nhĩm OH của serin, threonin, tyrosin - Vịng indol của tryptophan - Vịng imidazol của histidin - Nhĩm guanilic của arginin 3 - TÁC DỤNG CỦA ENZYME: Cũng như chất xúc tác vơ cơ, enzyme cĩ tác dụng làm tăng đáng kể vận tốc phản ứng. Ví dụ: V1 A + B C + D V-1 Theo định luật tác dụng khối lượng ta cĩ: 43
  44. V1 = k1 [A] x [B] V-1 = k-1 [C] x [D] Trong quá trình phản ứng nồng độ phân tử A và B giảm dần và tốc độ V1 cũng giảm theo, cịn tốc độ V-1 tăng dần do nồng độ C và D tăng. Khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng động thì tốc độ của phản ứng thuận và nghịch bằng nhau. V1 = V-1 Hay là k1 [A] x [B] = k-1 [C] x [D] k1/ k-1 = [C] x [D] / [A] x [B] = K K là hằng số cân bằng động của phản ứng thuận nghịch. Nĩ cho biết sau bao lâu phản ứng đạt trạng thái cân bằng. việc đạt đến trạng thái cân bằng động nhanh hay chậm phụ thuộc vào nhiều yếu tố ; nhiệt độ, áp suất, nồng độ, sự cĩ mặt của chất xúc tác. Chất xúc tác cĩ tác dụng làm tăng vận tốc phản ứng nhưng sau đĩ bản thân khơng thay đổi. cần lưu ý chất xúc tác khơng tạo ra được phản ứng mà chỉ ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng; chất xúc tác khơng làm thay đổi vị trí cân bằng động mà chỉ rút ngắn thời gian để đạt trạng thái đĩ. Giải thích: Theo nguyên lý nhiệt động học thì những phản ứng xảy ra được khi cĩ sự giảm năng lượng tự do của hệ thống. A B ΔF< 0 Biến thiên năng lượng tự do quyết định chiều phản ứng và khơng phụ thuộc vào sự cĩ mặt hay khơng của enzyme. Enzyme chỉ ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng chứ khơng ảnh hưởng đến chiều của phản ứng. Như vậy một hệ thống cĩ năng lượng tự do cao là điều kiện để phản ứng xảy ra. Nhưng để phản ứng cĩ thể xảy ra được các phần tử trong hệ thống phải được kích động để va chạm nhau. Ví dụ: S P Fp - Fs < 0. Mặc dù năng lượng tự do của P nhỏ hơn của S nhưng phản ứng khĩ xảy ra được vì số phân tử S cĩ động năng đầy đủ rất ít; nếu tăng nhiệt độ lên thì số phân tử S đi vào phản ứng sẽ gia tăng, do đĩ tốc độ phản ứng tăng lên. 44
  45. Năng lượng cần thiết để đưa phân tử S lên trạng thái kích động gọi là năng lượng kích động. Năng lượng này lớn hay nhỏ tùy từng cơ chất, tùy từng phản ứng. M FM FS S P FP S : cơ chất ; M : chất trung gian ; P : sản phẩm. FM : năng lượng trung gian; FS : năng lượng cơ chất; FP: năng lượng sản phẩm. Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng vì chúng cĩ khả năng làm giảm năng lượng kích động; do đĩ trong trường hợp cĩ sự hiện diện của chất xúc tác thì phản ứng sẽ xảy ra ở mức năng lượng thấp hơn. Khác với chất xúc tác vơ cơ, enzyme cĩ khả năng làm giảm năng lượng kích đơng mạnh hơn nhiều. Ví dụ : 1 phân tử H2O2 phân giải thành H2O và O2 cần một năng lượng kích động là : 18000 calo nếu khơng chất xúc tác. 11700 calo nếu cĩ Pt làm chất xúc tác. 5500 calo nếu chất xúc tác là enzyme catalase. Sở dĩ enzyme làm giảm năng lượng kích động đáng kể như vậy cĩ thể giải thích bởi các thuyết sau : 45
  46. 3.1/ Cơ chế xúc tác của enzyme : 3.1.1/ Thuyết hấp phụ Theo thuyết này thì chất xúc tác ( enzym ) hấp phụ chất phản ứng làm thay đổi cấu tạo điện tử bình thường của chất phản ứng ; như thế chúng dễ dàng tác dụng với các chất khác và do đĩ cần ít năng lượng kích động ( giảm năng lượng kích động xuống ). 3.1.2/ Thuyết hợp chất trung gian Cĩ sự hình thành 1 hợp chất trung gian khơng bền giữa cơ chất và enzyme ; yêu cầu về năng lượng kích động của các phản ứng trung gian này nhỏ hơn nhiều. Ví dụ S P Mặc dù ΔF < 0 , cĩ nghĩa là cĩ khả năng xảy ra được nhưng nĩ địi hỏi năng lượng kích động A rất lớn. Ở điều kiện 370C của cơ thể nhờ cĩ enzyme E làm chất xúc tác nên phản ứng vượt qua được mức năng lượng cần thiết qua 2 giai đọan : 1/ S + E ES. a1 2/ ES EP E + P a2 Tổng năng lượng kích động a1 và a2 đều nhỏ hơn năng lượng kích động A của phản ứng S P Đĩ là cơ chế tác dụng của enzyme cũng như các chất xúc tác nĩi chung ; tuy nhiên enzyme là những chất xúc tác sinh học nên chúng cĩ những tính chất đặc biệt hơn. 3.2/ Tính chất và đặc điểm của enzyme: 3.2.1 / Cường lực xúc tác Họat tính xúc tác của enzyme mạnh hơn rất nhiều lần so với chất xúc tác vơ cơ. -5 Ví dụ : 1 phân tử g Fe ( 56g) 1 giây phân hủy được 10 phân tử g H2O2 thành H2O và O2. trong khi một khối lượng tương đương enzyme catalase trong cùng điều kiện phân giải 5 được 10 phân tử H2O2. 3.2.2 / Tính đặc hiệu Tác dụng xúc tác của enzyme cĩ tính đặc hiệu cao. Mỗi enzyme chỉ tác động lên một lọai cơ chất đặc hiệu mà thơi, chỉ tác động lên 1 số cơ chất cĩ cấu tạo hĩa học gần nhau hoặc chỉ tác động lên 1 kiểu liên kết hĩa học nhất định, 1 dạng cấu trúc D hay L trong phân tử 46
  47. cơ chất, những biến đổi rất nhỏ trong cấu hình hĩa học của cơ chất đơi khi làm mất khả năng xúc tác của enzyme. Ví dụ: Amylase chỉ phân giải được amylose; peptidase chỉ phân hủy liên kết peptide. 3.2.3 / Ảnh hưởng của nhiệt độ Vì enzyme cĩ bản chất proteine nên ở nhiệt độ cao 700 C trở lên chúng bị biến tính và khơng cịn khả năng xúc tác nữa. Trong khoảng nhiệt độ từ 40 - 700 C thì cũng như mọi phản ứng hĩa học khác cứ tăng nhiệt độ lên 100 thì tốc độ phản ứng tăng gấp đơi. Ta cũng biết hạt khơ cĩ thể chịu được nhiệt độ cao hơn nhiều so với hạt ướt mà khơng bị mất khả năng nẩy mầm; vì proteine ở trạng thái khơ khĩ bị biến tính hơn ở trạng thái ngậm nước ( nên enzyme khi ở trạng thái khơ bị mất họat tính chậm hơn khi tiếp xúc với nước ). Ngịai ra một số enzyme đặc biệt cĩ thể chịu được nhiệt độ 1000 C mà khơng bị mất họat tính ( ví dụ myokinase ) và một số enzyme sau khi bị mất họat tính do đun nĩng cĩ thể tự khơi phục được họat tính sau một thời gian nhất định ( ví dụ peroxydase, amylase, trypsine ). 3.2.4/ Ảnh hưởng của pH Đa số enzyme cĩ họat tính cao trong khoảng pH trung tính, khi pH chuyển sang phía acid hay kiềm họat tính của enzyme đều bị giảm sút. Sở dĩ pH của mơi trường ảnh hưởng đến họat tính của enzyme là do sự tác động lên trung tâm họat động của enzyme. Tại các trị số pH khác nhau của mơi trường phản ứng, trung tâm họat động của enzyme bị ion hĩa với mức độ khác nhau, với một mức độ ion hĩa nào đĩ enzyme sẽ cĩ họat tính cao nhất. ngịai ra pH của mơi trường cịn ảnh hưởng đến mức độ ion hĩa của cơ chất, của phức chất enzyme – cơ chất, cũng như ảnh hưởng lên cấu trúc bậc 3 của protein enzyme. Tất cả ảnh hưởng đĩ dẫn đến sự biến đổi họat tính của enzyme. 3.2.5 / Ảnh hưởng của nồng độ enzyme và cơ chất Tốc độ của phản ứng phụ thuộc vào số lượng enzyme và cơ chất trong mơi trường phản ứng. Trường hợp cơ chất tham gia đầy đủ, enzyme tinh khiết, mơi trường khơng tạp chất thì tốc độ phản ứng tỉ lệ thuận với nồng độ enzyme. 47
  48. Nếu lượng cơ chất quá nhiều, enzyme và mơi trường cĩ lẫn tạp chất, sản phẩm tăng nhiều thì tốc độ phản ứng khơng cịn là đường thẳng nữa ( đường biểu diển tốc độ phản ứng phụ thuộc nồng độ enzyme ). Khi nồng độ cơ chất cịn thấp, lượng enzyme trong mơi trường phản ứng chưa được điều động tịan bộ thì tốc độ phản ứng tăng tỉ lệ thuận với nồng độ cơ chất; nhưng khi nồng độ cơ chất tăng đến mức nhất định SM nào đĩ thì tốc độ phản ứng sẽ đạt đến mức tối đa V và khơng thay đổi nữa Giải thích : Đối với một lượng enzyme nhất định, khi tăng nồng độ cơ chất lên đến một mức S nào đĩ thì tất cả các phân tử enzyme đã chuyển sang dạng hợp chất trung gian ES; cho nên nếu tăng lượng cơ chất quá giới hạn SM thì khơng cịn enzyme để tác dụng nữa. Điều này cĩ một tầm quan trọng trong việc nghiên cứu enzyme; người ta cĩ thể đánh giá được ái lực của enzyme đối với cơ chất. Ái lực của enzyme đối với cơ chất càng lớn thì nồng độ cơ chất cần thiết để đạt được tốc độ tối đa càng nhỏ. Mối quan hệ này được biểu thị bằng một hằng số gọi là hằng số Michaelis (KM ). KM biểu thị nồng độ cơ chất cần thiết để tốc độ phản ứng bằng ½ tốc độ tối đa. Hằng số Michaelis là một hằng số đặc hiệu cho mỗi lọai enzyme; KM càng nhỏ thì enzyme cĩ phản ứng mạnh đối với cơ chất. nồng độ cơ chất 48
  49. 3.2.6 / Ảnh hưởng của chất kích thích và chất ức chế Họat tính của enzyme phụ thuộc vào sự cĩ mặt của một số chất hĩa học cĩ trong mơi trường phản ứng. Trong số những chất này một số chất cĩ tác dụng làm tăng họat tính của enzyme được gọi là chất kích thích cịn một số chất khác làm giảm hoặc làm mất họat tính của enzyme và được gọi là chất ức chế. * Các chất kích thích họat tính của enzyme thường là các ion kim lọai như là Mg 2+, Mn 2+, Zn 2+, K +, Co 2+, Fe 2+ vv và Cl ¯ Tác dụng kích thích của chúng cĩ nhiều nguyên nhân khác nhau: - Tham gia thành phần nhĩm thêm ( Co, Fe, Mg, Mn, Zn ) - Tạo điều kiện cho sự hình thành phức hệ enzyme - cơ chất. - Giúp sức trong liên kết giữa apoenzyme và coenzyme. - Đảm bảo sự hình thành cấu trúc bậc bốn của enzyme *Các chất ức chế họat tính của enzyme thường là các ion kim lọai nặng như là Ag +, Hg 2+, Pb 2+ Chúng tác động như chất bao vây các trung khu họat động của enzyme, liên kết với các nhĩm họat đơng của enzyme ( -NH2 , - SH ) làm cho chúng khơng cịn khả năng họat động được nữa, hoặc nồng độ cao sẽ làm cho protein enzyme bị biến tính. Tuy nhiên cĩ nhiều chất cĩ tác dụng kích thích đối với enzyme này nhưng lại ức chế họat động của enzyme khác. Gần đây người ta đưa ra khái niệm dị lập thể hay hiệu ứng cạnh tranh. Theo khái niệm này mỗi enzyme ngịai trung tâm họat động dùng để gắn với cơ chất, cịn cĩ 1 hay 2 trung tâm gọi là trung tâm dị lập thể. Khi 1 chất nào đĩ (kích thích) cĩ hình dáng phù hợp với trung tâm dị lập thể này và gắn được vào đĩ sẽ cĩ tác dụng làm cho hình dạng của trung tâm họat động phù hợp với hình dạng cơ chất, do đĩ tạo điều kiện thuận lợi cho việc tiếp xúc giữa enzyme và cơ chất và như thế làm tăng họat tính xúc tác của enzyme; ngược lại cĩ những chất khi gắn vào trung tâm dị lập thể đĩ sẽ làm cho hình dạng của trung tâm họat động khơng cịn phù hợp cơ chất. 49
  50. 4 – PHÂN LỌAI ENZYME Ngịai cách gọi tên theo qúa trình tác động của enzyme hay chất chịu tác động của enzyme và ngịai những tên quen thuộc như Pepsin, Trypsin vv một hội nghị hĩa sinh quốc tế năm 1961 chia enzyme thành 6 nhĩm : Nhĩm 1: Oxydoreductase là nhĩm enzyme oxyd hĩa khử. Nhĩm 2 : Transferase là nhĩm enzyme vận chuyển nhĩm. Nhĩm 3 : Hydrolase là nhĩm enzyme thủy phân ( phân hủy cần nước ). Nhĩm 4 : Liase là nhĩm enzyme phân giải khơng cần nước. Nhĩm 5 : Isomerase là nhĩm enzyme đồng phân hĩa. Nhĩm 6 : Lygase hay Synthetase là enzyme tổng hợp. Oxydoreductase :(α-D-glucose + oxygen D-glucono-1,5-lactone + hydrogen peroxide ) 50
  51. Transferase : (L-aspartate + 2-oxoglutarate oxaloacetate + L-glutamate ) Hydrolase :(casein + water para-casein + caseino macropeptide) Lyase : (L-histidine urocanate + ammonia ) 51
  52. Isomerase: (α-D-glucopyranose α-D-fructofuranose ) Lygase :(ATP + -L-glutamyl-L-cysteine + glycine ADP + phosphate + glutathione ) Và như thế một enzyme sẽ được gọi tên bằng 4 chữ số cách nhau bằng dấu chấm. Ví dụ : enzyme 1.2.3.4 Chữ số đầu tiên cho biết enzyme thuộc vào 1 trong 6 nhĩm kể trên. Chữ số thứ hai cho biết bản chất của cơ chất ( tiểu nhĩm của số thứ nhất ). Ví dụ nhĩm 1 oxydoreductase, chữ số thứ nhì cho biết bản chất của chất bị oxy hĩa ( số 1 chỉ nhĩm – CHOH, số 2 chỉ nhĩm –CHO hoặc –CO ). Đối với nhĩm 2 transferase thì chữ số thứ nhì cho biết bản chất của nhĩm bị vận chuyển ( số 1 là các nhĩm 1 Carbon, số 2 là –CHO hoặc –CO ). Đối với nhĩm 3 hydrolase cho biết kiểu liên kết bị thủy phân. Đối với nhĩm 4 lyase cho biết kiểu liên kết bị phá vỡ. Đối với nhĩm 5 isomerase cho biết kiểu phản ứng đồng phân. Đối với nhĩm 6 cho biết bản chất của chất được tổng hợp. 52
  53. Chữ số thứ ba cho biết bản chất của chất nhận tham gia vào phản ứng ( nhĩm nhỏ của chữ số thứ hai ). Ví dụ đối với oxydo reductase số 1 coenzym nicotinamid, số 2 cytochrom, số 3 oxy phân tử. Đối với tranferase cho biết rõ hơn kiểu nhĩm bị thủy phân. Đối với lyase cho biết bản chất của cơ chất bị phân giải. đối với isomerase cho biết bản chất của chất bị chuyển hĩa. Đối với lygase cho biết bản chất của chất được tổng hợp Chữ số thứ tư là số thứ tự của enzyme trong từng nhĩm. Ví dụ : enzyme polyphenol oxydase cĩ số hiệu là 1.10.3.1 cĩ nghĩa là enzym oxyd khử (số 1 đầu tiên), chất nhường H là o- diphenol, diphenol và monophenol ( số 10 ) chất nhận H là O phân tử (số 3); số 1 sau cùng cho biết enzyme polyphenoloxydase là enzyme đầu tiên thuộc nhĩm 1.10.3. Một vài ví dụ 1.1 : oxydoreductase, tác động trên nhĩm –CHOH. 1.2 : -CHO hay - CO- 2.1 : transferase, vận chuyển nhĩm 1 carbon. 2.2 : -CHO hay – CO-. 3.1 : hydrolase, tác động trên nối ester. 3.2 : hợp chất glycosyl. 4.1 : lyase, phân giải nối C – C. 4.2 : C –O. 5.1 : isomerase, tác động như một racemase và epimerase. 5.2 : cis – trans isomerase. 6.1 : lyase, lập nối C-O. 6.2 : liase, lập nối C-S. 1.1.1 : chất nhận là NAD hay NADP. 2.1.1 : vận chuyển nhĩm methyl. 3.1.1 : thủy phân nối ester, carboxylic. 4.1.1 : phân hủy nối C-C. 5.1.1 : đồng phân hĩa acid amin. 53
  54. 6.1.1 : tạo nối C-O của acid amin –RNA. 5 – SỰ MẤT HỌAT TINH CỦA ENZYME: μm t Enzyme bịmất họat tính sẽ đổi đường biểu diển phân giải ( họat động ) thành dạng đường cong. Nguyên nhân của sự mất họat tính là: 1/ Do sự thay đổi cơ cấu của protein-enzyme; sự thay đổi đĩ cĩ thể là sự biến tính của protein cấu tạo dưới ảnh hưởng của nhiệt độ, pH, áp suất, các tia phĩng xạ. 2/ Trung tâm họat động bị mất tác dụng : Trung tâm họat động của enzyme bị gắn bởi một chất khác làm cho enzyme khơng thể họat động được. 3/ Khơng cịn coenzyme đi kèm : Đối với enzyme 2 thành phần thì trung tâm họat động nằm ở coenzyme ; do đĩ bị mất coenzyme thì enzyme khơng họat động. 4/ Enzyme thiếu những chất kích thích : Cĩ những enzyme được kích thích bởi những nguyên tố kim lọai như Co, Zn . thì những enzyme này cần phải cĩ những kim lọai đĩ, nếu bị làm mất những kim lọai này trong cấu tạo của chúng thì enzyme khơng họat động. 5/ Do sự cạnh tranh với cơ chất : Cĩ những chất khác cĩ thể cạnh tranh với cơ chất của enzyme. Nếu cĩ sự hiện diện của chúng trong mơi trường phản ứng thì enzyme khơng họat động hữu hiệu trên cơ chất. Ví dụ enzyme succinodeshydrogenase khử hidro của acid succinic . COOH - CH2 - CH2 – COOH COOH – CH = CH – COOH 54
  55. Cĩ một sự cạnh tranh giữa acid succinic COOH – CH2 – CH2 – COOH và acid malonic COOH – CH2 – COOH. Vì thế nếu acid malonic hiện diện thì enzyme sẽ tác động lên acid malonic ( malonic gắn vào trung tâm họat động ) làm cho enzym khơng cịn khử hidro của acid succinic nữa. COENZYME Coenzyme là thành phần thứ 2 của enzyme 2 thành phần, nĩ giữ vai trị họat động chính của enzyme lọai này và thường nĩ khơng thể tách rời khỏi enzyme. 1 – NHỮNG COENZYME LIÊN QUAN ĐẾN CÁC PHẢN ỨNG OXID HĨA KHỬ: 1.1/ NAD ( nicotinamide adenine dicluneotide ) 55
  56. + NAD + H2 NADH2 ( NADH + H ) Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate (NADP+) 56
  57. 1.2/ FMN ( flavin adenine mononucleotide ) và FAD ( flavine adenine dinucleotide ) FMN FAD O O H H C N C C N C CH3 C C C NH CH3 C C C NH CH3 C C C C O C N N CH3 C C C C O H C N N CH2 H HCOH CH2 HCOH HCOH HCOH HCOH CH2 O HCOH _ O P O NH2 CH O 2 _ C O P O N C N O HC O C CH _ N CH2 O N O P O H H H O H OH OH 57
  58. FADH2 FAD + H2 FADH2 2 - COENZYME VẬN CHUYỂN : 2.1/ COENZYME A : Vận chuyển nhĩm 2 carbon CH3CO- 58
  59. + CH3CO - SCOCH3 2.2/ ACID FOLIC : Vận chuyển nhĩm 1 carbon HCHO 59
  60. +HCHO ( CHO ) 60