Chương 1        

HÓA HỌC PROTEINCao Đăng Nguyên, Hồ Trung Thông

 1.1 Protein và vai trò sinh học của chúng1.1.1 Khái niệm về protein

Protein là một nhóm các hợp chất đại phân tử sinh học, cùng với polysaccharide, lipid và nucleic acid, tạo nên các hợp phần chủ yếu của cơ thể sống. Một cách cụ thể, protein là các polymer được tạo nên từ các trình tự xác định các amino acid. 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. Từ lâu người ta 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. Thật vậy, các enzyme, các kháng thể chống lại bệnh tật, các hormon dẫn truyền các tín hiệu trong tế bào, ... đều có bản chất là protein. 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.: “Sự 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 ngày càng được khẳng định. Cùng với nucleic acid, protein là cơ sở vật chất của sự sống. 1.1.2 Vai trò sinh học của protein1.1.2.1 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 sâu bọ; fibrolin 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.1.1.2.2 Xúc tác

Hầu hết tất cả các phản ứng xảy ra trong cơ thể đều do các protein đặc biệt đóng vai trò xúc tác. Những protein này được gọi là các enzyme. Mặc dầu 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. Tuy nhiên, hầu hết các phản ứng diễn ra trong các cơ thể sống đều được xúc tác bởi các enzyme có bản chất protein. Bởi vậy, định nghĩa có tính chất kinh điển: enzyme là những protein có khả năng xúc tác 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, trong số đó nhiều enzyme đã được tinh sạch, kết tinh và nghiên cứu cấu trúc.1.1.2.3 Bảo vệ

Ngoài vai trò là chất xúc tác và tạo cấu trúc cho 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

1

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, một số protein còn tham gia vào quá trình đông máu để chống mất máu cho cơ thể. Một số loài có thể sản xuất ra những độc tố có bản chất protein như enzyme nọc rắn, lectin,  ... có khả năng tiêu diệt kẻ thù để bảo vệ cơ thể.1.1.2.4 Vận chuyển

Trong cơ thể động vật 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, seruloplasmin vận chuyển đồng (Cu) trong máu ... Một trong những protein làm nhiệm vụ vận chuyển được nhắc đến nhiều nhất đó là hemoglobin. 1.1.2.5 Vận động

Nhiều protein làm nhiệm vụ vận động co rút như myosin và actin ở sợi cơ, chuyển vị trí của nhiễm sắc thể trong quá trình phân bào, ...1.1.2.6 Dự trữ và dinh dưỡng

Các protein làm nhiệm vụ dự trữ như casein của sữa, ovalbumin của trứng, feritin của lách (dữ trữ sắt) v.v... Protein dự trữ này chính là nguồn cung cấp dinh dưỡng quan trọng cho các tổ chức mô, phôi phát triển.1.1.2.7 Dẫn truyền tín hiệu thần kinh

Nhiều loại protein tham gia vào quá trình dẫn truyền tín hiệu thần kinh đối với các kích thích đặc hiệu như sắc tố thị giác rodopsin ở võng mạc mắt.1.1.2.8 Điều hoà

Nhiều protein có khả năng điều hoà quá trình trao đổi chất thông qua việc tác động lên bộ máy thông tin di truyền như các hormon, các protein ức chế đặc hiệu enzyme … Một ví dụ điển hình là các protein repressor ở vi khuẩn có thể làm ngừng quá trình sinh tổng hợp enzyme từ các gene tương ứng.1.1.2.9 Cung cấp năng lượng

Protein là nguồn cung cấp năng lượng cho cơ thể sống. Khi thủy phân protein, sản phẩm tạo thành là các amino acid, từ đó tiếp tục tạo thành hàng loạt các sản phẩm trong đó có các keto acid, aldehyd và carboxylic acid. Các chất này đều bị oxy hoá dần dần tạo thành CO2 và H2O đồng thời giải phóng ra năng lượng.

1.2 Cấu tạo của phân tử protein1.2.1 Thành phần nguyên tố

Cho đến nay người ta đã thu được nhiều loại protein tinh khiết ở dạng tinh thể. Đã từ lâu thành phần các nguyên tố hoá học của các protein phân lập đã được nghiên cứu kỹ. Thông thường trong cấu trúc của protein gồm bốn nguyên tố chính là C, H, O và N với tỷ lệ C 50%, H 7%, O 23% và N 16%. Điều đáng lưu ý là tỷ lệ N trong protein khá ổn định. Lợi dụng tính chất này, để định lượng protein theo phương pháp Kjeldahl người ta tính lượng N rồi nhân với hệ số vốn đã được quy định tùy theo đối tượng nghiên

2

cứu. Ngoài ra trong protein còn gặp một số nguyên tố khác như S ( 0-3%), P, Fe, Zn, Cu, ...

C

1.2.2 Amino acid - đơn vị cấu tạo cơ bản của protein

1.2.2.1 Cấu tạo chung

Amino acid là chất hữu cơ mà phân tử chứa ít nhất một nhóm carboxyl (-COOH) và ít nhất một nhóm amin (-NH2), trừ prolin chỉ có nhóm NH (thực chất là một imino acid). Trong phân tử các amino acid tồn tại trong tự nhiên, các nhóm -COOH và -NH 2

đều gắn với carbon ở vị trí . Hầu hết các amino acid thu nhận được khi thuỷ phân protein đều ở dạng L-. Như vậy các amino acid chỉ khác nhau ở mạch nhánh (được ký hiệu là R trong hình 1.1).1.2.2.2 Phân loại theo quan điểm hoá học

Hiện nay người ta phân loại amino acid theo nhiều cách khác nhau. Mỗi cách phân loại đều có ý nghĩa và mục đích riêng. Tuy nhiên, các cách phân loại này đều dựa trên cấu tạo hóa 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 tùy theo sự có mặt của số nhóm carboxyl hay số nhóm amin mà chia ra thành các nhóm nhỏ, nhóm amino acid trung tính (chứa một nhóm -COOH và một nhóm -NH2); nhóm amino acid kiềm tính (chứa một nhóm -COOH và hai nhóm -NH2); nhóm amino acid có tính acid (chứa hai nhóm -COOH và một nhóm -NH2). Trong nhóm mạch vòng lại chia ra thành nhóm vòng thơm hay dị vòng, ... Có người lại dựa vào tính phân cực của gốc R từ đó 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.

Ở đây chúng tôi xin được giới thiệu cách phân loại các amino acid một cách chung nhất. Theo cách này dựa vào gốc R, các amino acid được chia thành 5 nhóm:

Nhóm I: Gồm 7 amino acid có gốc R không phân cực và kỵ nước, đó là: glycine, alanine, proline, valine, leucine, isoleucine và methionine.

3

Nhóm II: Gồm 3 amino acid có gốc R chứa nhân thơm, đó là phenylalanine, tyrosine và tryptophan.

Nhóm III: Gồm 5 amino acid có gốc R phân cực, không tích điện, đó là serine, threonine, cysteine, asparagine và glutamine.

4

 Nhóm IV: Gồm 3 amino acid có gốc R tích điện dương, đó là lysine, histidine và

arginine.

Nhóm V: Gồm 2 amino acid có gốc R tích điện âm, đó là aspartate và glutamate.

5

1.2.2.3 Phân loại theo quan điểm dinh dưỡng Theo quan điểm dinh dưỡng người ta chia 20 loại amino acid thường gặp trong

protein thành 2 nhóm:  amino acid không thể thay thế (indispensable amino acid) hay còn gọi là amino acid thiết yếu (essential amino acid) và amino acid thay thế (disapensable amino acid) hay còn gọi là amino acid không thiết yếu. Amino acid không thể thay thế là những amino acid mà cơ thể động vật không tổng hợp được hoặc tổng hợp không đủ đáp ứng nhu cầu sinh trưởng hoặc sinh sản một cách tối ưu. Số lượng amino acid không thể thay thế có thể là từ 8-10 loại amino acid tùy theo từng loài động vật (bảng 1.1). Ngược lại với các amino acid không thể thay thế, amino acid thay thế là những amino acid mà cơ thể động vật có thể tổng hợp được và đủ đáp ứng nhu cầu của chúng. Bộ khung carbon để tổng hợp amino acid chủ yếu được tạo ra từ glucose và các amino acid khác, còn gốc amin được sử dụng cho tổng hợp amino acid chủ yếu được cung cấp từ các amino acid khác có số lượng vượt quá nhu cầu của cơ thể động vật. Khẩu phần ăn của vật nuôi hầu hết đều đáp ứng đủ số lượng amino acid thay thế hoặc đủ số lượng nhóm amin cho sự tổng hợp các amino acid thay thế kể cả trong trường hợp hàm lượng protein trong khẩu phần thấp, do đó sự quan tâm trong dinh dưỡng là dành cho các amino acid không thể thay thế.  

Bảng 1.1: Amino acid không thể thay thế đối với gia cầm, lợn và người

TT Tên amino acid Gia cầm Lợn Người

1 Arginine (1) (2) ± ± ±

2 Histidine (1) + + ±

3 Leucine + + +

4 Isoleucine + + +

5 Lysine + + +

6 Methionine + + +

7 Phenylalanine + + +

8 Threonine + + +

9 Tryptophan + + +

10 Valine + + +(1) (2) Đối với người, arginine và histidine được xếp vào nhóm amino acid thay thế; trong một số trường hợp có nhu cầu lớn như giai đoạn còn non, stress, … hai loại này được coi là amino acid không thể thay thế.(1) Đối với gà con, arginine là amino acid không thay thế.

Một số amino acid không được xếp vào nhóm không thể thay thế hay nhóm thay thế mà chúng được xếp vào nhóm bán thay thế (semi-dispensable) hay còn gọi là bán thiết yếu (semi-essential). Thuộc nhóm này có arginine, cysteine, tyrosine. Arginine được coi là bán thay thế đối với lợn vì arginine có thể được tổng hợp từ glutamine. Tuy vậy, sự tổng hợp này không đủ đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng trong giai đoạn đầu của quá trình phát triển cơ thể. Do đó khẩu phần cho lợn sinh trưởng phải chứa một lượng arginine nhất định. Tuy vậy, ở giai đoạn kể từ sau khi thành thục về giới tính và giai đoạn mang thai, nhiều nghiên cứu cho thấy lợn có thể tổng hợp arginine với số lượng đủ đáp ứng nhu

6

cầu của chúng. Tuy nhiên, sự tổng hợp arginine có thể không đủ để đáp ứng nhu cầu tiết sữa của lợn nái. Cysteine có thể được tổng hợp từ methionine. Tuy vậy, cysteine và dạng oxy hóa của nó là cystine có thể đáp ứng khoảng 50% nhu cầu của tổng lượng amino acid chứa lưu huỳnh (methionine + cysteine). Bằng cách này, cysteine có thể làm giảm nhu cầu đối với methionine. Tương tự như đối với nhóm amino acid chứa lưu huỳnh, phenylalanine có thể đáp ứng nhu cầu của tổng lượng phenylalanine và tyrosine (amino acid có nhân thơm) vì sự chuyển hóa phenylalanine có thể tạo thành tyrosine. Tyrosine có thể đáp ứng tối thiểu 50% tổng nhu cầu của hai loại amino acid này nhưng nó không thể là nguồn duy nhất và không thể thay thế cho phenylalanine vì nó không thể chuyển được thành phenylalanine.

Bảng 1.2: Các amino acid thường gặp

Tên amino acid

Tên gọi theo danh pháp hóa học Tên viết tắt

Ký hiệu

Khối lượng (Mr)

Glycine -aminoacetic Gly G 75

Alanine -aminopropionic Ala A 89

Proline -pirolidincarboxylic Pro P 115

Valine -aminoiaovaleric Val V 117

Leucine -aminonoisocaproic Leu L 131

Isoleucine -amino--metylvaleric Ile I 131

Methionine -amino--metyltiobutiric Met M 149

Phenylalanine -amino--phenylpropionic Phe F 165

Tyrosine -amino--hydroxyphenylpropionic Tyr Y 181

Tryptophan -amino--idolylpropionic Trp W 204

Serine -amino--hydoxypropionic Ser S 105

Threonine -amino--hydroxybutyric Thr T 119

Cysteine -amino--tiopropionic Cys C 121

Aspargine amid của aspartate Asn B 132

Glutamine amid của glutamate Gln Q 146

Lysine , diaminocaproic Lys K 146

Histidine -amino--imidazolpropionic His H 155

Arginine -amino--guanidinvaleric Arg R    174

Aspartate -aminosucinic Asp D    133

Glutamate -aminoglutarate Glu E    147

Ngoài các amino acid thường gặp ở trên, trong phân tử protein đôi khi còn có một số amino acid khác khác. Đó là những loại ít gặp. Các amino acid này đều là dẫn xuất của những amino acid thường gặp. Ví dụ, trong phân tử collagen có chứa 4-hydroxyproline là dẫn xuất của proline, 5-hydroxylysine là dẫn xuất của lysine, ... Mặt khác, mặc dầu không

7

có trong cấu trúc protein, nhưng có hàng trăm loại amino acid khác có thể tồn tại ở dạng tự do hoặc liên kết với hợp chất khác trong các mô và tế bào. Chúng có thể là tiền chất hay là các sản phẩm trung gian của quá trình chuyển hoá  trong cơ thể như citrulline, ornithine, -alanine, -amino butyric acid (GABA). 1.2.2.4 Một số tính chất của amino acid

- Màu sắc và mùi vị của amino acidCác 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 ngọt hay còn gọi là mì chính là muối của natri của glutamic acid (monosodium glutamate).

- Tính tan của amino acid Các amino acid thường dễ tan trong nước và khó tan trong alcohol và ether (trừ

proline và hydroxyproline). Chúng cũng dễ hoà tan trong acid và kiềm loãng (trừ tyrosine).

 - Tính hoạt động quang học của amino acid Các amino acid trong phân tử protein đều có ít nhất một nguyên tử carbon bất đối

(trừ glycine). Do vậy, chúng đều có tính hoạt động 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 1.7) gọi là đồng phân lập thể. Trong tự nhiên, tất cả các amino acid đều ở dạng L ở nguyên tử carbon bất đối . Một cách tổng quát, số đồng phân lập thể của một amino acid được tính theo 2n (n là số carbon bất đối).

8

Hình 1.8: Phổ hấp thụ ánh sáng cực tím của tryptophan và tyrosine Hầu hết các amino acid hấp thụ tia cực tím ở bước sóng () từ 220 đến 280 nm.

Đặc biệt cùng nồng độ 10-3M,  ở bước sóng 280 nm tryptophan hấp thụ ánh sáng cực tím mạnh nhất, gấp 4 lần khả năng hấp thụ của tyrosine (hình 1.8) và phenylalanine là yếu nhất.  Phần lớn các protein đều chứa tyrosine nên người ta sử dụng tính chất này để định lượng protein.

- Tính lưỡng tính của amino acid Trong phân tử amino acid có nhóm carboxyl (-COOH) cho nên có khả năng

nhường proton (H+) thể hiện tính acid, mặt khác có nhóm amin (-NH2) cho nên có khả năng nhận proton nên thể hiện tính base. Vì vậy các 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), nếu tiếp tục tăng pH, amino acid sẽ nhường proton thứ hai chuyển thành dạng anion (tích điện âm) (hình 1.9). Vì vậy đôi khi người ta coi amino acid như một di-acid.

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 người ta xác định được pH i (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 tiên chuyển sang dạng lưỡng tính và sau cùng chuyển thành dạng anion.

9

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                                   

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.

- Các phản ứng hoá học của amino acid Các amino acid đều có nhóm -NH2 và -COOH liên kết với C , 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:

+ Phản ứng của gốc RDo các amino acid có cấu tạo gốc R khác nhau, cho nên người ta có thể dựa vào đó

để xác định từng amino acid riêng rẽ nhờ phản ứng đặc trưng của nó. Ví dụ, phản ứng oxy hoá khử có thể được sử dụng để nhận biết nhóm SH của cysteine, phản ứng tạo muối để nhận biết các nhóm  -COOH hoặc -NH2 của glutamate hoặc của lysine, phản ứng tạo ester để nhận biết nhóm -OH của tyrosine, ...

+ Phản ứng chungLà phản ứng có sự tham gia của cả hai nhóm -COOH và -NH2. Các amino acid

phản ứng với ninhydrin trong điều kiện đun nóng tạo thành CO2 , NH3 , aldehyd và

10

ninhydrin bị khử, cuối cùng tạo nên sản phẩm có màu xanh tím (đối với proline cho màu vàng chanh).

 + Phản ứng riêng biệtCác phản ứng của nhóm -COOH: Ngoài các phản ứng của nhóm -COOH thông

thường như tạo ester, tạo amid, tạo muối, ... thì nó còn có những phản ứng đặc trưng khác như có thể bị khử thành hợp chất rượu amin dưới sự xúc tác của NaBH4.

Nhóm -COOH có thể tạo thành phức aminoacyl-adenylate trong phản ứng hoạt hóa amino acid để tổng hợp protein, hoặc có thể loại CO2 là phản ứng gặp rất nhiều trong quá trình phân giải amino acid.

Các phản ứng của nhóm -NH2: Nhiều phản ứng của nhóm amin được dùng để xác định 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 .

Để định lượng amino acid người ta cho phản ứng với aldehyd 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).

1.2.3 Peptide

1.2.3.1 Khái niệm

Peptide có từ hai đến vài chục amino acid nối với nhau. Chúng có thể được tổng hợp trong tự nhiên hoặc được hình thành do sự phân giải protein. Trong phân tử peptide, các amino acid được liên kết với nhau thông qua liên kết peptide (hình 1.11).

11

Liên kết peptide có độ bền cao bởi cấu trúc của nó có 4 e /, 2e/ thuộc về liên kết C=O còn 2e/  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 đến dạng lai (trung gian) là một phần ghép đôi của liên kết (hình 1.12). Người ta cho rằng tỷ lệ của liên kết kép này là khoảng 30% đối với liên kết C-N và 70% đối với liên kết giữa C và O. Ở đầu của một chuỗi peptide là amino acid có nhóm -amin (-NH2) tự do được gọi là đầu N-tận cùng và đầu kia có nhóm -carboxyl (-COOH) tự do được gọi là đầu C tận cùng. Liên kết peptide tạo nên bộ khung chính của chuỗi peptide hoặc polypeptide, còn các gốc R tạo nên mạch bên của chuỗi.

1.2.3.2 Một số peptide có hoạt tính sinh học quan trọngTrong tự nhiên tồn tại nhiều dạng peptide có chức phận quan trọng liên quan đến

hoạt động sống của cơ thể như là các hormone, các chất kháng sinh ... Bên cạnh đó cũng có những peptide có chức phận chưa rõ ràng. Một số peptide là sản phẩm thủy phân đang còn dang dở của protein. Sau đây sẽ giới thiệu một số peptide quan trọng, có nhiều ý nghĩa đối với hoạt động sống của sinh vật.

- Các hormone sinh trưởng (GH)Hormon sinh trưởng của người (HGH-human growth hormone) còn có tên gọi

STH (somatotropin hormone) là một chuỗi polypeptide bao gồm 191 amino acid. Trong cấu trúc có hai cầu disulfur được tạo thành giữa amino acid 53-165 và giữa amino acid 182-189. HGH có cấu tạo rất giống với hormone lactogen của nhau thai (85% trình tự amino acid giống nhau) và gần giống prolactin của người (32% trình tự amino acid giống nhau). Hormone sinh trưởng có tác dụng kích thích sự tăng trưởng nói chung, kích thích sự tạo sụn hơn là tạo xương. Nó cũng là một hormone chuyển hoá. Hormone sinh trưởng kích thích sự tổng hợp protein từ những amino acid đã được vận chuyển dễ dàng vào trong tế bào nhờ HGH, và là hormone gây tăng đường huyết, sinh đái tháo đường, đồng thời kích thích sự phân giải 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 xảy ra trước tuổi dậy thì sẽ dẫn đến chứng người khổng lồ, nếu xảy ra sau tuổi dậy thì sẽ dẫn đến chứng người bị to cực (phát triển chiều dày của đầu, xương và mặt).

12

- InsulinTừ 1953, Sanger (2 giải thưởng Nobel về hóa học vào năm 1958 và 1980) 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 disulfur. Trong chuỗi A cũng hình thành 1 cầu disulfur 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

13

1.13). Người ta cũng đã xác định được cấu trúc ba chiều của insulin và thấy rằng cấu trúc phân tử insulin được giữ vững bởi nhiều liên kết muối, liên kết hydro và cầu nối disulfur giữa chuỗi A và chuỗi B.

Insulin có tác dụng rõ nhất trong tất cả các hormon của tuyến tụy, đặc biệt đối với quá trình chuyển hoá carbohydrate. Nó có tác dụng hạ đường huyết. Insulin còn kích thích quá trình tổng hợp và ức chế quá trình phân giải 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 xâm nhập glucose, một số đường khác, amino acid trong tế bào cơ và mỡ. Do vậy insulin làm giảm lượng glucose trong máu. Ngoài ra insulin cũng làm giảm sự tổng hợp mới glucose do làm giảm nồng độ enzyme như pyruvate carboxylase và fructose 1-6 diphosphatase.

- Oxytocin, vasopressin và vasotocinOxytocin 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 ở vị trí thứ tám là leucine (bảng 1.3). Vasopressin của loài ếch nhái có cấu trúc trung gian giữa vasopressin và oxytocin của động vật có vú: amino acid thứ ba là isoleucine và amino acid thứ tám là arginine. Vasopressin là một peptide có cấu trúc gồm 9 amino acid. 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). Ở động vật có xương sống nhưng không có vú, amino acid thứ 3 là isoleucine; vasopressin có tên là arginin-vasotocin (bảng 1.3).

Oxytocin có tác dụng trên cơ trơn của tử cung và tuyến vú, gây co tử cung khi 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.

14

 

1.2.4 Các bậc cấu trúc protein

Về mặt cấu trúc người ta phân biệt protein gồm bốn bậc: bậc 1, bậc 2, bậc 3 và bậc 4 (hình. 1.14).

1.2.4.1 Cấu trúc bậc 1

15

Cấu trúc bậc 1 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 1 là phiên bản của mã di truyền, việc xác định được cấu trúc bậc 1 là cơ sở để tổng hợp nhân tạo protein bằng phương pháp hoá học hoặc bằng biện pháp công nghệ sinh học.

1.2.4.2 Cấu trúc bậc 2

Biểu thị sự xoắn của chuỗi polypeptide, là tương tác không gian giữa các gốc amino acid ở gần nhau trong mạch polypeptide. Nói cách khác, là dạng không gian cục bộ của từng phần trong mạch polypeptide. Cấu trúc này được làm bền nhờ các liên kết hydro được tạo thành giữa các liên kết peptide ở gần nhau.

1.2.4.3 Cấu trúc bậc 3

Biểu thị sự xoắn và cuộn khúc của chuỗi polypeptide thành khối, đặc trưng cho protein dạng cầu, là tương tác không gian giữa các gốc amino acid ở xa nhau trong mạch polypeptide. Trong nhiều protein dạng cầu có chứa các gốc cysteine tạo nên liên kết disulfur giữa các gốc Cys xa nhau trong mạch polypeptide làm cho mạch bị cuộn lại. Ngoài ra, cấu trúc bậc 3 còn được giữ vững bằng các loại liên kết khác như liên kết kị nước, lực Van der Waals, liên kết hydro, liên kết tĩnh điện giữa các gốc amino acid.

1.2.4.4 Cấu trúc bậc 4

Biểu thị sự kết hợp của các chuỗi có cấu trúc bậc 3 trong phân tử protein. Những phân tử protein có cấu trúc từ 2 hay nhiều chuỗi protein hình cầu, tương tác với nhau sắp xếp trong không gian tạo nên cấu trúc bậc 4. Mỗi một chuỗi polypeptide đó được gọi là một tiểu đơn vị, chúng gắn với nhau nhờ các liên kết hydro, tương tác Van der Waals giữa các nhóm phân bố trên bề mặt của các tiểu đơn vị để làm bền cấu trúc bậc 4.

1.3 Một số tính chất của protein1.3.1 Tính chất lý học

- Phân tử lượngCó nhiều phương pháp xác định phân tử lượng của protein như phương pháp hóa

học, thẩm thấu, tốc độ lắng, … Protein có phân tử lượng lớn > 10.000. Khái niệm protein và polypeptide thỉnh thoảng được hiểu giống nhau, tuy vậy polypeptide có trọng lượng phân tử < 10.000.

- Đặc tính keoKhi hòa tan, protein tạo thành các dung dịch keo và cho hiện tượng Tindal. Xung

quanh mỗi phân tử protein được bao quanh bằng một lớp dày đặc các phân tử dung môi, nếu dung môi là nước thì sẽ tạo thành tầng hydrate.

- Áp suất thẩm thấuProtein hòa tan trong nước tạo nên dung dịch keo có áp suất thẩm thấu gọi là áp

suất keo nhỏ hơn rất nhiều so với áp suất thẩm thấu của dung dịch thật. Áp suất keo đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển nước cùng các chất dinh dưỡng và cặn bã qua thành mạch.

16

- Sự khuyếch tánTrong dung dịch, protein khuyếch tán chậm. Do chúng có kích thước lớn cho nên

protein không đi qua được các màng bán thấm như màng tế bào, màng cellophan, … Nếu cho dung dịch protein vào màng bán thấm rồi nhúng vào cốc nước thì các phân tử có kích thước nhỏ như NaCl đi qua màng bán thấm một cách dễ dàng, còn protein vẫn nằm lại trong túi. Đây là sự thẩm tích và màng bán thấm được gọi là màng thẩm tích. Người ta ứng dụng phương pháp này để loại muối khỏi dung dịch protein.

- Độ nhớt Khi hòa tan, protein tạo thành dung dịch keo có độ nhớt khá cao và lớn hơn độ nhớt

của nước. Các loại protein khác nhau thì có độ nhớt khác nhau. - Sự hấp phụProtein có thể hấp phụ các chất khí, lỏng hoặc rắn lên trên bề mặt của chúng. Nhờ

tính chất này mà nhiều protein đóng vai trò là các chất vận chuyển trong cơ thể. Cơ chế tác dụng của một số loại thuốc hoặc của các chất hóa học cũng được giải thích dựa trên tính chất hấp phụ của protein. 1.3.2 Tính lưỡng tính

Phân tử protein gồm nhiều amino acid kết hợp lại với nhau thành một hoặc nhiều chuỗi polypeptide. Trên mỗi chuỗi polypeptid đều có một nhóm -NH2 của amino acid N-tận và một nhóm -COOH của amino acid C-tận. Ngoài ra, trong phân tử protein còn có thể có một số nhóm -NH2 tự do của các amino acid kiềm tính và một số nhóm -COOH của các amino acid acid tính. Trong dung dịch các nhóm -NH2 và -COOH này có thể điện li để tạo thành -NH+

3 và -COO-. Do đó, protein cũng có tính lưỡng tính như amino acid và trong dung dịch chúng cũng có thể tồn tại dưới 3 dạng ion: anion, cation và ion lưỡng cực với các nồng độ khác nhau tùy theo pH của môi trường. Mỗi loại protein cũng có điểm đẳng điện (pI) tương ứng và tỉ lệ của mỗi dạng ion trong dung dịch phụ thuộc vào pH của dung dịch hòa tan protein. Nếu pH của môi trường = pI thì protein tồn tại ở dạng ion lưỡng cực nhiều nhất và protein sẽ không di chuyển trong điện trường. Nếu pH của môi trường > pI thì anion chiếm nhiều nhất và protein sẽ di chuyển về phía cực dương của điện trường. Nếu pH < pI thì dạng cation chiếm nhiều nhất và protein sẽ di chuyển trong điện trường về cực âm. Tính chất này được ứng dụng để tách protein bằng kỹ thuật điện di, ngoài ra còn được ứng dụng để chiết xuất và tinh chế protein bằng phương pháp sắc kí trao đổi ion.    1.3.3 Đặc tính hòa tan

Ở trạng thái hòa tan, phân tử protein được hydrate hóa, lớp áo nước bao quanh là một trong các yếu tố làm bền vững dung dịch protein, làm cho các phân tử protein ngăn cách và không dính vào nhau. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tính tan của protein.

- Ảnh hưởng của pH Độ tan của protein thấp nhất ở pH = pI của nó, độ tan của protein tăng lên khi pH

nằm xa pI vì khi pH = pI thì phân tử protein không tích điện cho nên chúng không có lực đẩy tĩnh điện và dễ bị đông kết. Khi pH pI thì các phân tử protein tích điện cùng dấu và đẩy nhau cho nên không không bị đông kết do đó độ tan tăng lên.

- Ảnh hưởng của nồng độ muối

17

Muối trung tính ở nồng độ thấp làm tăng độ tan của nhiều loại protein. Khi tăng nồng độ muối tới một giới hạn nhất định thì độ tan của protein giảm xuống và nếu nồng độ muối tiếp tục tăng lên thì protein có thể đông kết hoàn toàn. Tính chất này được ứng dụng để tách các loại protein theo phương pháp diêm tích.

- Ảnh hưởng của dung môi Khi cho các dung môi như ethanol, aceton, … vào dung dịch protein thì độ tan của

protein bị giảm và có thể dẫn đến đông kết do giảm lớp vỏ hydrate hóa. - Ảnh hưởng của nhiệt độ Trong khoảng nhiệt độ 0 - 40oC, độ tan của đa số protein tăng khi nhiệt độ tăng. Ở

khoảng nhiệt độ 45 - 70oC đa số protein mất tính bền vững và có thể bị biến tính (trừ protein của một số sinh vật chịu nhiệt như vi khuẩn chịu nhiệt).  1.3.4 Sự đông kết và biến tính

Phân tử protein chỉ thể hiện được đặc tính sinh học của nó trong một khoảng giới hạn nhất định của môi trường. Nếu vượt quá giới hạn đó sẽ làm cho protein bị mất tính chất ban đầu, mất tính chất sinh học, đó là sự biến tính của protein (giảm tính tan, tính chất sinh học không còn nữa). Sự biến tính không làm đứt các liên kết peptid mà chỉ làm đứt các liên kết yếu như liên kết hydro, liên kết muối, … Vì vậy, cấu trúc không gian của protein bị đảo lộn, các nhóm kị nước quay ra ngoài, các nhóm ưa nước quay vào trong, sự hydrate hóa bị giảm, các chuỗi polypeptid dễ kết hợp lại với nhau, do đó độ tan giảm và protein dễ bị đông kết. Ở trong đường tiêu hóa của động vật, sự biến tính protein giúp cho quá trình tiêu hóa protein diễn ra dễ dàng hơn. Có hai loại biến tính:

- Biến tính thuận nghịch Cấu trúc không gian của phân tử protein bị biến đổi tạm thời và có thể trở lại trạng

thái ban đầu nếu loại trừ nguyên nhân gây biến tính. Một số yếu tố gây biến tính thuận nghịch như dung môi hữu cơ trung tính (ether, ethanol, aceton, …), một số muối trung tính ((NH4)2SO4).

- Biến tính không thuận nghịchCấu trúc không gian của phân tử protein bị phá vỡ vĩnh viễn, không tái lập dù ở

điều kiện nào. Các yếu tố gây biến tính không thuận nghịch như acid vô cơ đậm đặc (HCl, H2SO4, HNO3, …), acid hữu cơ (CCl3-COOH), nhiệt độ cao, …  1.3.5 Tính chất hóa học

- Protein có thể bị thủy phân bởi enzyme hoặc bởi một số yếu tố khác như acid hoặc base đặc (nồng độ 6N) ở nhiệt độ cao và trong nhiều giờ để tạo thành các sản phẩm dở dang hoặc sản phẩm cuối cùng là các amino acid.

- Protein cho phản ứng biurea (đặc trưng của liên kết peptid).- Các gốc amino acid trong phân tử protein cũng cho các phản ứng đặc trưng của

amino acid tự do tương ứng. - Phân tử protein có nhóm -NH2 ở đầu N-tận cùng và -COOH ở đầu C-tận cùng,

ngoài ra chúng còn có thể có thêm một số nhóm -NH2 và COOH của các gốc amino acid nằm giữa chuỗi polypeptid. Do vậy, protein có thể cho hoặc nhận proton (H+) để thể hiện tính acid hoặc base. Nhờ đặc điểm này cho nên protein là một hệ đệm góp phần duy trì pH của cơ thể động vật tương đối ổn định.        1.3.6 Tính đặc hiệu sinh học

18

Chức năng sinh học của protein rất đa dạng, tuy vậy trong nhiều trường hợp không phải toàn bộ phân tử protein đều có giá trị như nhau đối với hoạt tính sinh học của nó mà có bộ phận làm nhiệm vụ giữ khung không gian, có bộ phận trực tiếp quyết định hoạt tính sinh học. Sự thay đổi các liên kết, các nhóm hóa học hoặc các amino acid nhất định trong phân tử protein, đặc biệt là ở bộ phận quyết định trực tiếp hoạt tính sinh học của nó đều dẫn tới sự thay đổi hoạt tính sinh học của protein. Một số ví dụ về tính đặc hiệu sinh học của protein như tính đặc hiệu kiểu phản ứng và đặc hiệu cơ chất của enzyme, hiện tượng choáng khi truyền máu, hiện tượng không dung hòa khi vá da hoặc ghép mô, … 1.4 Phân loại protein1.4.1 Phân loại theo hình dạng1.4.1.1 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 bậc cao ví dụ collagen ở gân và mô xương, elastin ở mô liên kết đàn hồi, -keratin ở tóc và da, ...1.4.1.2 Protein dạng cầu

Có dạng gần như hình cầu hoặc hình 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 bằng 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 hormone, các protein vận chuyển như albumin huyết thanh, hemoglobin ...1.4.1.3 Protein dạng trung gian

Một số protein có dạng trung gian, vừa có đặc điểm của protein sợi, vừa có đặc điểm của protein cầu. Ví dụ, myosin (yếu tố cấu trúc và chức năng quan trọng 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.   1.4.2 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 hoặc nhiều chuỗi polypeptide có cấu trúc phức tạp. Căn cứ sự có hay vắng mặt của một số thành phần có bản chất không phải protein mà người ta chia protein thành:

 1.4.2.1 Protein đơn giản

Protein đơn giản là những phân tử protein mà phân tử của nó gồm toàn amino acid. Ví dụ, một số enzyme của tụy 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), ... Dựa vào khả năng hòa tan trong nước hoặc trong dung dịch, người ta có thể chia các protein đơn giản ra một số nhóm nhỏ như:

19

- 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%.

- Glutelin: 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.

1.4.2.2 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 ghép (nhóm ngoại). Tùy 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 từ chỉ bản chất nhóm ngoại:

- Lipoprotein: nhóm ngoại là lipid.- Nucleoprotein: nhóm ngoại là nucleic acid.- Glycoprotein: nhóm ngoại là carbohydrate và dẫn xuất của chúng.- Phosphoprotein: nhóm ngoại là phosphoric acid.- Cromoprotein: nhóm ngoại là hợp chất có màu. Tùy theo tính chất của từng nhóm

ngoại mà có những màu sắc khác nhau như màu đỏ (ở hemoglobin), màu vàng (ở flavoprotein), ... Nếu nhóm ngoại là kim loại thì protein sẽ có tên gọi chung là metaloprotein.  

Tài liệu tham khảoTài liệu tiếng ViệtTrần Thị Ân, Đái Duy Ban, Nguyễn Hữu Chấn, Đỗ Đình Hồ, Lê Đức Trình, 1980. Hoá

sinh học. NXB Y học.Phạm Thị Trân Châu, Trần thi Áng, 1999. Hoá sinh học. NXB Giáo dục, Hà Nội. Nguyễn Lân Dũng, Phạm Văn Ty, Nguyễn Đình Quyến, 1999. Vi sinh vật học. NXB

Giáo dục.Lê Đức Trình, 1998. Hormon. NXB Y học, Hà nội.Nguyễn Viết Tựu, 1980. Phương pháp nghiên cứu hoá học cây thuốc. NXB Y học, Tp.

Hồ Chí Minh.Tài liệu tiếng AnhCopeland, R. A., 2000. Enzymes; a practical introduction to structure mechanism and

data analysis, 2nd ed. Willey-VCH. A John Willey & Sons, INC., Pub.

20

Dennison, C., 2002. A guide to protein isolation. Kluwer Academic Publishers, New York, Boston, Dordrecht, Lodon, Moscow.

Hans, U. B., 1974. Methods of enzymatic analysis. Second English Edition Acdemic Press, Inc., New York, San Francisco, London, Vol., 4.

Liebler, D. C, 2002. Introduction to proteomics. Humana Press Inc. Totuwa, New Jersey.Lodish, H., 2003.  Molecular Cell Biology. 5th ed. E-Book.Nelson D. L., Cox M. M., 2005. Lehninger Principles of Biochemistry, Fourth Edition.

Freeman and Company, New York, USA. NRC, 1998. Nutrient requirements of swine. Tenth revised edition, National Academy

Press, Washington D. C., USA. Walker, J. M., 1996. The protein protocols, handbook, 2nded. Humana Press Inc, Totuwa,

New Jersey.Tài liệu tiếng ĐứcArbeitsgemeinschaft fuer Wirkstoffe in der Tierernaehrung e.V. (AWT), 1998.

Aminosaeren in der Tierernaehrung. Agrimedia Buchedition, Verlag Alfred Strothe - Deutscher Fachverlag, Frankfurt am Main. 

Chương 2           

HÓA HỌC NUCLEIC ACIDCao Đăng Nguyên, Hồ Trung Thông

 2.1 Thành phần cấu tạo

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. Mỗi nucleotide gồm 3 thành phần: nhóm phosphate, đường pentose (là đường 5 carbon) và một base nitơ. 2.1.1 Base nitơ

Các base nitơ có trong phân tử nucleic acid đều là những 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 2.1).

21

2.1.2 Đường pentose           Đường pentose trong nucleic acid gồm có hai loại là đường deoxyribose và ribose

(hình 2.2). Sự có mặt của 2 loại đường này là một trong những đặc điểm để phân biệt DNA và RNA.2.1.3 Phosphoric acid

Là một acid vô cơ - H3PO4

2.2 Liên kết tạo thành nucleic acid2.2.1 Sự tạo thành nucleoside

Nucleoside là sản phẩm thủy phân không hoàn toàn của nucleic acid. Nucleoside gồm có hai thành phần là đường pentose và một base nitơ (thuộc purine hay pyrimidine).

2.2.2 Sự tạo thành nucleotide

22

Nucleotide cũng là sản phẩm thủy phân không hoàn toàn của nucleic acid. Nucleotide gồm có ba thành phần: đường pentose, base nitơ và phosphoric acid (hình 2.3).

2.2.3  Sự tạo thành nucleic acid  Các nucleotide được nối với nhau bằng liên kết phosphodiester  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 tạo thành ở vị trí C3’ và C5’ cho 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).2.3 Một số nucleotide quan trọng không tham gia cấu tạo nucleic acid2.3.1  ADP và ATP

ADP (adenosine diphosphate) và ATP (adenosine triphosphate) đều 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.

23

2.3.2   cAMP (AMP vòng)Adenosine monophosphate 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. Ngoài cAMP, một số nucleotide khác cũng tham gia vào các quá trình chuyển hóa trong cơ thể, ví dụ cGMP và ppGpp.

2.3.3 UDP và UTPUDP (uridine diphosphate) và UTP (uridine triphosphate) đều là những dẫn xuất

của uracil. Chúng đều là những chất quan trọng trong các phản ứng trung gian chuyển hoá glucose và galactose. Ngoài ra, chúng còn tham gia trong quá trình hình thành những hợp chất phosphate giàu năng lượng.2.3.4 CDP và CTP

CDP (cytidine diphosphate) và CTP (cytidine triphosphate) là những dẫn xuất của cytidine. CTP cũng là hợp chất giàu năng lượng và có thể tham gia nhiều phản ứng khác nhau như: phosphoryl hoá ethanolamine để dẫn đến sự sinh tổng hợp cephaline hoặc phản ứng với phosphate choline để hình thành cytidine diphosphate-choline (CDP-choline).

24

 2.3.5 Các coenzyme nucleotide

Hiện nay người ta biết được một số nucleotide tham gia cấu tạo nên một số coenzyme quan trọng như coenzyme A (CoA hoặc CoA-SH), flavin adenine dinucleotide (FAD), nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+), nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP+), ... Để tạo thành các coenzyme này cần có các vitamin như vitamin B5 (pantothenic acid) trong cấu trúc của CoA, vitamin B2 (riboflavine) trong cấu trúc của FAD, vitamin PP (nicotinic acid) trong cấu trúc của NAD+ và NADP+.

25

 2.4 Phân loại cấu hình và cấu trúc của nucleic acid 2.4.1 Deoxyribonucleic acid (DNA) 

Phân tử DNA là một chuỗi xoắn kép gồm hai sợi đơn. Mỗi sợi đơn là một chuỗi polynucleotide. 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 sợi đơn kết hợp với nhau nhờ các liên kết hydrogen hình thành giữa các base bổ sung nằm trên hai sợi: A bổ sung cho T và C bổ sung cho G. Mỗi sợi 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 sợi đơn trong chuỗi xoắn kép ngược nhau, cho nên được gọi là hai sợi đối song. Những phân tích cấu trúc hiện đại đã cho thấy 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 sợi kép DNA có độ dài là 20 cm được nén trong một chromosome có kích thước là 5 m.

26

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.

DNA eukaryote có kích thước rất lớn (ví dụ DNA ở người có thể dài đến 1 m) cho 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 cấu trúc nhiễm sắc chất.

27

28

Thật vậy, đường kính của chuỗi xoắn DNA chỉ là 20 , trong khi sợi nhiễm sắc chất quan sát dưới kính hiển vi điện tử có đường kính 100 , đôi khi đạt 300 . Điều này chứng tỏ phân tử DNA tham gia trong việc hình thành những cấu trúc phức tạp hơn (hình 2.6). Sợi có  đường kính 100 là một chuỗi nhiều nucleosome. Đó là những cấu trúc hình thành từ một sợi DNA quấn quanh một lõi gồm 8 phân tử histon. Sợi 100 này được tổ chức thành cấu trúc phức tạp hơn là sợi có đường kính 300 . 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.

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) 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 gene). 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 ven của phần DNA nằm ở đầu mút nhiễm sắc thể (trình tự TEL).

29

30

-  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 hydro 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.

   

2.4.2  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 RNA là ribose thay vì deoxyribose.

31

-  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 chúng 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.

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 gene, 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 sợi kép, qua đó làm tăng độ không bền vững của liên kết phosphodiester.

Trong tế bào có ba loại RNA chính, có các chức năng khác nhau:2.4.2.1 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. 

Ở Escherichia coli, kích thước trung bình của một phân tử mRNA khoảng 1,2 kb.2.4.2.2 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 2.7). 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.

2.4.2.3 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, 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.

32

 

33

 

2.4.2.4 Một số loại RNA khácTế 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 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 tế bào chất.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:-  Một khuôn mẫu, thường là DNA sợi đôi.-  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 vu, các RNA khác nhau được tổng hợp bằng các loại RNA polymerase khác nhau.  

Tài liệu tham khảoTài liệu tiếng Việt Trần Thị Ân, Đái Duy Ban, Nguyễn Hữu Chấn, Đỗ Đình Hồ, Lê Đức Trình, 1980. Hoá

sinh học. NXB Y học, Hà Nội. Phạm Thị Trân châu, Trần Thị Áng, 1999. Hoá sinh học. NXB Giáo dục, Hà Nội.Hồ Huỳnh Thuỳ Dương, 1998. Sinh học phân tử. NXB Giáo dục, Hà Nội.Phạm Thành Hổ, 2001. Di truyền học, (tái bản lần thứ 3). NXB Giáo dục, thành phố Hồ

Chí Minh. Tài liệu tiếng Anh Lodish, H., 2003.  Molecular Cell Biology. 5th Ed. E-book.

34

Nelson D. L., Cox M. M., 2005. Lehninger Principles of Biochemistry, Fourth Edition. Freeman and Company, New York, USA.

Chương 3HÓA HỌC CARBOHYDRATE

Lê Văn An, Hồ Trung Thông

 Carbohydrate là những phân tử sinh học có số lượng lớn nhất trên trái đất. Một số

loại carbohydrate như tinh bột và đường là nguồn thức ăn chủ yếu của hầu hết mọi nơi trên thế giới và quá trình oxy hóa carbohydrate là con đường khai thác năng lượng trung tâm của hầu hết các tế bào không quang hợp. Ở thành tế bào vi khuẩn, thành tế bào thực vật và tế bào của mô liên kết ở động vật, các carbohydrate không hòa tan đóng vai trò là yếu tố cấu trúc hoặc bảo vệ. Một số carbohydrate đóng vai trò là chất nhờn để bôi trơn các khớp xương hoặc tham gia vào cơ chế nhận biết hoặc kết dính giữa các tế bào. Một số carbohydrate phức tạp khác liên kết chặt chẽ với protein hoặc lipid hoạt động như một tín hiệu và được gọi là glycoconjugate. Nhiều loại carbohydrate có công thức cấu tạo là (CH2O)n, một số loại carbohydrate còn chứa nitơ, phosphor, lưu huỳnh. Dựa vào kích thước phân tử người ta chia carbohydrate thành ba nhóm: monosaccharide, oligosaccharide và polysaccharide.        3.1. Monosaccharide3.1.1 Định nghĩa

Monosaccharide hay còn gọi là đường đơn là những carbohydrate đơn giản nhất, có tối thiểu 2 nhóm hydroxyl (-OH) và có thể tồn tại dưới một trong hai dạng aldehyde và ketone. Tùy theo số lượng carbon mà các monosaccharide có thể được gọi là triose (3 carbon), tetrose (4 carbon), pentose (5 carbon), hexose (6 carbon),  …

Monosaccharide có thể tồn tại ở dạng mạch thẳng hoặc mạch vòng. Khi ở dạng mạch thẳng, một nguyên tử carbon có liên kết đôi với một nguyên tử oxy để tạo thành nhóm carbonyl (-C=O) còn mỗi một nguyên tử carbon còn lại của phân tử monosaccharide có một nhóm hydroxyl (-OH). Nếu nhóm carbonyl nằm ở cuối cùng của mạch carbon thì sẽ hình thành nhóm aldehyde (-CHO), trong trường hợp này monosaccharide là một aldose. Nếu nhóm carbonyl nằm ở bất cứ một vị trí nào khác trên

35

chuỗi mạch thì sẽ tạo thành nhóm ketone, trong trường hợp này monosaccharide là một ketose (hình 3.1).

3.1.2 Đồng phân lập thểTất cả các monosaccharide trừ dihydroxyacetone đều có ít nhất một nguyên tử

carbon bất đối xứng, do đó có thể tạo thành các dạng đồng phân lập thể dạng D hoặc dạng L (hình 3.2). Aldose đơn giản nhất là glyceraldehyde có một nguyên tử carbon bất đối xứng, do đó có hai dạng đồng phân lập thể. Monosaccharide có n nguyên tử carbon bất đối xứng sẽ có 2n đồng phân lập thể.

36

3.1.3 Cấu trúc dạng vòngĐể đơn giản, cấu tạo của các aldose và ketose được thể hiện dưới dạng mạch thẳng.

Tuy vậy, trong thực tế tất cả các monosaccharide có số nguyên tử carbon ≥ 5 tồn tại chủ yếu dưới dạng mạch vòng trong đó nhóm carbonyl thực hiện liên kết cộng hóa trị với một nguyên tử oxy của một nhóm hydroxyl trong phân tử monosaccharide. Sự hình thành cấu trúc dạng vòng là kết quả của phản ứng giữa alcohol với aldehyde hoặc ketone để tạo thành dẫn xuất gọi là hemiacetal hoặc hemiketal (hình 3.4). Các chất này có thêm một nguyên tử carbon bất đối xứng, do đó có hai đồng phân lập thể được kí hiệu là α và β (hình 3.5 và 3.6).  

37

3.1.4 Các dẫn xuất của hexoseNgoài các dạng hexose đơn giản như glucose, galactose và mannose, trong cơ thể

sinh vật còn có nhiều dẫn xuất khác của đường (hình 3.7). Các dẫn xuất này được hình thành do nhóm hydroxyl của các monosaccharide bị thay thế bằng một nhóm khác hoặc một nguyên tử carbon bị oxy hóa thành nhóm carboxyl, ví dụ glucosamine, galactosamine, mannosamine. N-acetylglucosamine là một phần của nhiều loại polymer cấu trúc bao gồm cả thành tế bào vi khuẩn. Thành tế bào vi khuẩn còn có thêm một dẫn xuất của glucosamine là N-acetylmuramic acid. Sự thay thế nhóm hydroxyl ở vị trí C6 của L-galactose và L-mannose bằng một nguyên tử hydro sẽ tạo thành L-fucose và L-rhamnose, các loại đường khử oxy này được tìm thấy trong polysaccharide của thực vật và trong cấu tạo của các oligosaccharide của các glycoprotein và glycolipid. Sự oxy hóa carbon carbonyl (aldehyde) của glucose đến carboxyl sẽ tạo thành gluconic acid, còn của các aldose khác sẽ tạo thành aldonic acid. Sự oxy hóa carbon tận cùng của glucose, galactose, mannose sẽ tạo thành các uronic acid tương ứng: glucuronic, galacturonic, mannuronic acid. Ngoài ra, một dẫn xuất của N-acetylmannosamine là N-acetylneuraminic acid (còn gọi là sialic acid) là một thành phần của nhiều loại glycoprotein và glycolipid trong mô bào động vật.

38

3.1.5 Một số monosaccharide quan trọng3.1.5.1 Triose: D-glyceraldehyde (aldotriose) và dihydroxyacetone (ketotriose) là những sản phẩm chuyển hóa trung gian của carbohydrate.3.1.5.2 Pentose: Ribose và deoxyribose (bị khử oxy ở vị trí C2) là hai pentose quan trọng tham gia cấu tạo nucleic acid.3.1.5.3 Hexose: là loại đường gặp nhiều nhất trong cơ thể sinh vật so với các monosaccharide khác.

- D-glucose: là loại monosaccharide phổ biến nhất trong tự nhiên, là thành phần cấu tạo nhiều loại oligosaccharide và polysaccharide như saccharose, tinh bột, glycogen, cellulose. Glucose có mặt khắp các dịch và mô bào trong cơ thể động vật, là cơ chất chuyển hóa chủ yếu của carbohydrate trong cơ thể người và động vật.

- D-fructose: là một hexose quan trọng, có nhiều trong quả chín. Cùng với glucose, fructose là sản phẩm trung gian của nhiều con đường trao đổi chất quan trọng như đường phân, chu trình pentose, … Trong cơ thể, fructose thường tồn tại dưới dạng β-D-fructofuranose.

39

- D-galactose: là thành phần cấu tạo của lactose (đường sữa).3.2 Oligosaccharide3.2.1 Định nghĩa

Oligosaccharide là carbohydrate có từ 2 đến 20 gốc monosaccharide, các gốc monosaccharide liên kết với nhau bằng liên kết glycoside. Oligosaccharide phổ biến nhất là disaccharide có hai gốc monosaccharide mà điển hình là sucrose (saccharose hay đường mía). 3.2.2 Một số oligosaccharide phổ biến3.2.2.1 Maltose: có nhiều trong mầm lúa, keo mạch nha, ... Maltose ít tồn tại ở dạng tự do mà chủ yếu được tạo thành khi thủy phân tinh bột bởi enzyme amylase và khi hạt nảy mầm. Maltose được cấu tạo từ hai phân tử D-glucose nối với nhau bằng liên kết glycoside giữa C1 của một gốc glucose với C4 của một gốc glucose còn lại. Trong cấu tạo của maltose còn có một nhóm -OH tại vị trí C1 ở trạng thái tự do, do đó maltose là một đường khử.      3.2.2.2 Lactose: còn gọi là đường sữa (có trong sữa của động vật và người), là disaccharide được tạo thành từ một phân tử D-galactose và một phân tử D-glucose. Lactose là một disaccharide có tính khử do một nhóm -OH ở vị trí C1 của gốc đường glucose còn ở trạng thái tự do. 3.2.2.3 Saccharose: còn được gọi là sucrose hay đường mía, có nhiều trong củ cải đường, thân cây mía và nhiều loại củ quả khác. Saccharose không được tạo ra trong cơ thể động vật. Khi thủy phân saccharose bằng acid hoặc enzyme saccharase sẽ thu được α-D-glucopyranose và β-D-fructofuranose. Hai phân tử đường đơn này liên kết với nhau bằng liên kết 1,2-glycoside (hình 3.8). Khác với maltose và lactose, saccharose không có tính khử. Saccharose là một sản phẩm trung gian quan trọng của quang hợp, trong cơ thể thực vật, saccharose là dạng vận chuyển đường từ lá về các bộ phận khác của cơ thể thực vật.

3.3 Polysaccharide3.3.1 Khái niệm

40

Trong tự nhiên hầu hết carbohydrate tồn tại ở dạng polysaccharide. Polysaccharide là carbohydrate chứa trên 20 gốc monosaccharide, một số polysaccharide chứa tới hàng trăm hoặc hàng ngàn gốc monosaccharide.  Polysaccharide còn gọi là glycan, chúng khác nhau về đơn vị cấu tạo, độ dài của mạch và độ phân nhánh. Polysaccharide không có vị ngọt, không có khả năng tạo thành dung dịch thật khi tan trong nước, nếu tan trong nước chúng chỉ tạo ra dung dịch keo. Trong cơ thể sinh vật, polysaccharide chủ yếu giữ vai trò cấu trúc hoặc dự trữ. Khác với protein, polysaccharide không có phân tử lượng đặc trưng. Sự khác nhau này là do sự khác nhau trong cơ chế sinh tổng hợp hai loại polymer này. Protein được tổng hợp dựa trên khuôn mẫu (mRNA) với trình tự và độ dài xác định. Sinh tổng hợp polysaccharide không theo khuôn mẫu, chương trình sinh tổng hợp polysaccharide do bản chất của enzyme xúc tác và không có điểm kết thúc đặc trưng trong quá trình tổng hợp. 3.3.2 Phân loại polysaccharide          Polysaccharide được chia thành hai nhóm: polysaccharide thuần (homopolysaccharide) và polysaccharide tạp (heteropolyssaccharide). Ngoài ra, theo quan điểm dinh dưỡng động vật, người ta còn chia polysaccharide thành hai nhóm: tinh bột và polysaccharide phi tinh bột (nonstarch polysaccharide: NSP).

3.3.2.1 Polysaccharide thuầnPolysaccharide thuần chỉ chứa một loại đơn vị cấu tạo duy nhất (hình 3.9). Một số

polysaccharide thuần đóng vai trò dự trữ các gốc đường đơn để cung cấp nhiên liệu cho cơ thể. Tinh bột và glycogen là những polysaccharide thuần thuộc nhóm này. Một số

41

polysaccharide thuần khác như cellulose và chitin đóng vai trò là yếu tố cấu trúc của thành tế bào thực vật và vỏ cứng của nhiều loài động vật như côn trùng, giáp xác. 

- Tinh bột: được tạo ra từ thực vật, là nguồn năng lượng dự trữ quan trọng của thực vật và là thức ăn quan trọng của động vật và người. Tinh bột có nhiều ở hạt, củ, quả. Trong các mô ở thực vật, tinh bột thường tồn tại ở dạng hạt có hình dáng kích thước và cấu tạo khác nhau tùy theo nguồn gốc. Các hạt tinh bột không tan trong nước lạnh. Khi đun nóng và khuấy đều trong nước, tinh bột nở ra và khuyếch tán thành dung dịch keo gọi là hồ tinh bột, hồ tinh bột tác dụng với iod cho màu xanh tím.

42

Tinh bột có hai thành phần là amylose (chiếm khoảng 20%) và amylopectin (chiếm khoảng 80%) và không có tính khử. Hai thành phần này có một số đặc điểm cấu tạo và tính chất khác nhau, tuy vậy chúng đều được cấu tạo từ các đơn phân là α-D-glucose. Amylose tan được trong nước, cho màu xanh với iod, có cấu tạo mạch thẳng do các đơn vị α-D-glucose liên kết với nhau bằng liên kết (α 1→ 4) glycoside (hình 3.10 và 3.12). Khi tan trong nước, mạch amylose có thể bị xoắn lại. Amylopectin không tan trong nước, tạo thành tính keo của hồ tinh bột và cho màu tím với iod. Amylopectin được tạo thành từ các đơn vị α-D-glucose nối với nhau bằng liên kết (α 1→ 4) và tại điểm phân nhánh là (α 1→ 6). Từ 24 đến 30 gốc glucose lại có một điểm phân nhánh. Tinh bột bị thủy phân bởi acid vô cơ ở nhiệt độ cao hoặc bởi enzyme trong đường tiêu hóa để tạo thành các sản phẩm trung gian có tên gọi chung là dextrin cho màu khác nhau với iod, sau đó tạo thành maltose và cuối cùng là glucose: hồ tinh bột (màu xanh tím với iod) → Amylodextrin (màu tím với iod) → Erythrodextrin (tím nhạt đến đỏ nâu với iod) → Acrodextrin (màu đỏ nâu với iod) → Maltose (không cho màu với iod) → Glucose (không cho màu với iod).

43

- Glycogen: là polysaccharide dự trữ của các tế bào động vật. Cũng giống như amylopectin, glycogen là một polymer được tạo thành do các đơn vị glucose nối với nhau bằng liên kết (α 1→ 4) và liên kết (α 1→ 6) tại điểm phân nhánh. Tuy vậy, số lượng nhánh trong phân tử glycogen lớn hơn nhiều so với số lượng nhánh trong phân tử amylopectin, cứ 8 đến 10 gốc glucose lại có một điểm phân nhánh. Glycogen có nhiều trong gan và cơ vân của động vật. Trong mô gan, glycogen có thể chiếm đến 7% trong lượng của gan tươi và hạt glycogen có kích thước lớn do sự tạo thành các bó glycogen từ những hạt có kích thước nhỏ hơn. Cuối mỗi nhánh có một đầu không có tính khử, do đó số lượng đầu không có tính khử của glycogen bằng số lượng nhánh có trong phân tử. Khi glycogen được sử dụng như một nguồn năng lượng, các đơn vị glucose được tách dần ra khỏi phân tử glycogen từ đầu không có tính khử. Enzyme phân giải glycogen chỉ có thể xúc tác từ đầu không có tính khử, nhưng có thể thực hiện việc xúc tác đồng thời trên nhiều nhánh khác nhau, do đó đảm bảo tốc độ phân giải nhanh glycogen thành monosaccharide, các thông tin chi tiết về sự phân giải glycogen sẽ được trình bày trong chương chuyển hóa carbohydrate. Việc dự trữ glucose dưới dạng glycogen có ý nghĩa quan trọng đối với tính thẩm thấu cũng như đối với khía cạnh năng lượng. Người ta đã tính toán rằng tế bào gan dự trữ glycogen với số lượng tương đương nồng độ glucose 0,4M. Glycogen là dạng không hòa tan và chỉ đóng góp một phần rất nhỏ đến khả năng thẩm thấu (osmolarity) của tế bào chất (chỉ khoảng 0,01 μM). Nếu nồng độ glucose trong tế bào chất là 0,4M thì khả năng thẩm thấu sẽ tăng cao đến mức đe dọa sự sống của tế bào, sẽ dẫn đến sự di chuyển của nước từ ngoài vào tế bào chất và tế bào có thể bị vỡ. Ngoài ra, với nồng độ glucose nội bào là 0,4M trong lúc đó nồng độ glucose ngoại bào chỉ khoảng 5mM, sự thay đổi năng lượng tự do trong quá trình thu nhận glucose ngược gradient nồng độ quá lớn là rất lớn và quá trình thu nhận glucose từ ngoài vào tế bào có thể bị ngăn trở.   

44

- Dextran: là polysaccharide của vi khuẩn và nấm men được tạo thành từ các đơn vị D-glucose nối với nhau bằng liên kết (α 1→ 6). Tất cả các loại dextran đều có mạch nhánh ở liên kết (α 1→ 3), một số dextran có mạch nhánh ở liên kết (α 1→ 2) và (α 1→ 4).

- Cellulose: là chất có cấu trúc dạng sợi và không tan trong nước, được tìm thấy trong thành tế bào thực vật. Cellulose là thành phần chính của gỗ, bông chứa cellulose gần như nguyên chất. Cũng giống như amylose, cellulose là polysaccharide thuần không phân nhánh, được cấu tạo từ 10.000 đến 15.000 đơn vị D-glucose. Tuy vậy có sự khác nhau rất quan trọng: cellulose được tạo thành từ các đơn vị β-D-glucose trong khi đó amylose, amylopectin và glycogen được tạo thành từ các đơn vị α-D-glucose. Các đơn vị glucose trong cellulose nối với nhau bằng liên kết  (β 1→ 4) glycoside, ngược lại với amylose, amylopectin và glycogen là liên kết (α 1→ 4) glycoside. Sự khác nhau này đã dẫn đến sự khác nhau rất lớn về mặt cấu trúc và tính chất vật lý giữa cellulose và amylose. Nhiều loài động vật không thể sử dụng cellulose làm nguồn nhiên liệu vì không có enzyme thủy phân liên kết (β1→ 4) glycoside. Động vật nhai lại và một số loài động vật khác như thỏ, ngựa có khả năng sử dụng cellulose làm nguồn nhiên liệu chính do chúng có hệ vi sinh vật phong phú trong đường tiêu hóa, những vi sinh vật này tiết ra enzyme để phân giải cellulose. Phương pháp Weende (phân tích gần đúng / approximate analysis) đã dẫn đến thành phần xơ thô khi phân tích thành phần dinh dưỡng của thức ăn có nguồn gốc thực vật. Thành phần chủ yếu của xơ thô là cellulose, pentosane và lignin (dẫn xuất của phenylpropan).

- Chitin: là một polysaccharide thuần được cấu tạo từ các đơn vị N-acetylglucosamine nối với nhau bằng liên kết (β1→ 4) glycoside. Sự khác nhau duy nhất về mặt hóa học giữa chitin và cellulose là sự thay thế nhóm hydroxyl ở vị trí C2 bằng một nhóm được acetyl hóa (CH3-CO-NH-) (hình 3.17). Chitin có dạng sợi giống như cellulose và động vật cũng không tiêu hóa được chitin. Chitin là thành phần cơ bản của lớp vỏ cứng của nhiều loài sinh vật, là polysaccharide phổ biến trong tự nhiên chỉ sau cellulose.

45

- Inulin: là một polysaccharide dự trữ của thực vật, được cấu tạo từ các đơn vị fructose. Phân tử lượng của inulin thấp vì nó chỉ có khoảng 30 gốc fructose, do đó polysaccharide này dễ dàng hòa tan trong nước. 

- Glucane: có cấu tạo tương tự cellulose, chúng được tạo thành từ các đơn vị β-glucose. Tuy vậy, ngoài liên kết (β1→ 4) còn có liên kết (β1→ 3) glycoside với tỉ lệ giữa hai loại liên kết này là từ 3-4/1. 3.3.2.2 Polysaccharide tạp

Polysaccharide tạp là những đại phân tử có cấu trúc phức tạp, được tạo ra từ nhiều loại monosaccharide khác nhau, dẫn xuất của các monosaccharide hay còn có thêm những chất khác. Polysaccharide có nhiều trong tự nhiên và có nhiều vai trò sinh học quan trọng. Ở mô bào động vật, nhiều loại polysaccharide tạp có trong khoảng giữa các tế bào, chúng tạo thành matrix giữa các tế bào, từ đó làm cho các tế bào có thể liên kết được với nhau, giúp tế bào giữ được hình dạng, bảo vệ và trợ giúp cho tế bào, mô, và cơ quan trong nhiều hoạt động khác nhau.

- Hemicellulose: Hemicellulose là một nhóm chất gồm nhiều loại polysaccharide của thực vật, cùng với cellulose tạo nên thành tế bào thực vật, có nhiều trong các bộ phận của thực vật như rơm rạ, be ngô, trấu, vỏ cứng của hạt, các bộ phận đã hóa gỗ của thực vật. Về mặt hóa học, hemicellulose được tạo thành từ polysaccharide của xylose (xylan), arabinose (araban), mannose (mannan), galactose (galactan).

- Pentosane: Pentosane là polysaccharide được cấu tạo từ arabinose và xylose, là một bộ phận cấu tạo của hemicellulose. Hàm lượng pentosane có thể chiếm đến 20% vật chất khô của cỏ.

- Pectine: Pectine là polysaccharide của thực vật, được cấu tạo từ galacturonic acid. Một số nhóm carboxyl của các gốc galacturonic acid được ester hóa với methanol. Pectine có nhiều trong củ, quả, mô mềm như lá cây.

46

- Polysaccharide tạp của thành tế bào vi khuẩn (peptidoglycan) và tảo (agar): Thành tế bào vi khuẩn chứa polysaccharide tạp, polysaccharide này được tạo thành do sự thay đổi luân phiên giữa các gốc N-acetylglucosamine (GlcNAc) và N-acetylmuramic acid (Mur2Ac), các gốc này nối với nhau bằng liên kết (β1→ 4) (hình 3.18). Các phân tử này nằm cạnh nhau và được gắn với nhau bằng liên kết ngang (cross-link) thông qua một đoạn peptide mạch ngắn, cấu trúc chính xác của đoạn peptide này phụ thuộc vào từng loài vi khuẩn. Các đoạn peptide này giúp cho các chuỗi polysaccharide tạo thành một lớp vỏ chắc bao xung quanh tế bào và ngăn chặn sự trương nở dẫn đến sự tan vỡ tế bào do sự hút nước từ ngoài môi trường vào tế bào. Lysozyme tiêu diệt vi khuẩn bằng cách thủy phân liên kết (β1→ 4) giữa N-acetylglucosamine và N-acetylmuramic acid. Mắt và một số loại virus của vi khuẩn cũng có khả năng tiết lysozyme. Penicillin và các kháng sinh liên quan khác tiêu diệt vi khuẩn bằng cách ngăn cản sự tổng hợp đoạn peptide mạch ngắn làm nhiệm vụ nối các chuỗi polysaccharide, do đó làm cho thành  tế bào vi khuẩn bị yếu và có thể bị tan vỡ.

Một số loại tảo đỏ và rau câu có thành tế bào chứa agar, là một polysaccharide tạp. Agar có hai thành phần: một thành phần không phân nhánh là agarose và một thành phần phân nhánh là agaropectin (hình 3.19).

47

- Polysaccharide tạp của matrix ngoại bào: Khoảng giữa các tế bào trong các mô bào của động vật đa bào tồn tại một chất đặc quánh tương tự gel gọi là matrix ngoại bào. Matrix ngoại bào liên kết các tế bào với nhau, tạo ra các lỗ cho sự khuyếch tán của các chất dinh dưỡng và oxy đi đến tất cả các tế bào. Matrix ngoại bào được tạo ra do sự cài vào nhau của heteropolysaccharide và các protein hình sợi như collagen, elastin, fibronectin và laminin. Các polysaccharide tạp này là các glycosaminoglycan (mucopolysaccharide). Các glycosaminoglycan được cấu tạo từ các đơn vị disaccharide, mỗi disaccharide có một monosaccharide là N-acetylglucosamine hoặc là N-acetylgalactosamine, trong hầu hết các trường hợp một monosaccharide còn lại là uronic acid mà thông thường là D-glucuronic hoặc L-iduronic acid. Trong một số glycosaminoglycan, một hoặc nhiều nhóm hydroxyl của đường amin được ester hóa với sulfate. Glycosaminoglycan được gắn vào các phân tử protein ngoại bào để tạo thành proteoglycan (hình 3.20). Có thể kể một số glycosaminoglycan quan trọng như sau:

48

 

+ Hyaluronic acid: được cấu tạo từ N-acetylglucosamine và D-glucuronic acid. Hyaluronic acid tạo thành dung dịch trong và rất nhớt có tác dụng làm trơn các khớp xương và làm cho thủy tinh dịch của mắt động vật có xương sống đặc như thạch. Hyaluronic acid còn là thành phần quan trọng của matrix ngoại bào của sụn và gân, làm tăng tính co giãn và chắc của các tế bào này vì hyaluronic acid tương tác mạnh với các thành phần khác trong matrix ngoại bào. Hyaluronidase là enzyme được tiết ra bởi một số vi khuẩn gây bệnh, enzyme này có thể thủy phân liên kết glycoside của acid hyaluronic làm cho các mô bào dễ bị vi khuẩn xâm nhập. Ở nhiều loài sinh vật, một enzyme tương tự có trong tinh dịch có thể xúc tác cho quá trình thủy phân glycosaminoglycan bao xung quanh tế bào trứng để giúp tinh trùng xâm nhập vào bên trong tế bào chất.

+ Chondroitin sulfate: là một glycosaminoglycan có nhiều trong tổ chức sụn, tổ chức liên kết (gân, da, van tim và thành động mạch).

49

+ Heparin: là chất chống đông máu do tế bào lớn (mast cell, một loại tế bào bach cầu) tiết ra và được đưa vào máu. Heparin chống đông máu bằng cách gắn vào phân tử protein antithrombin. Sự gắn kết này của heparin tạo ra sự gắn kết của antithrombin vào thrombin và ức chế enzyme protease này.

+ Keratan sulfate: là glycosaminoglycan không có uronic acid. Keratan sulfate có trong giác mạc, sụn, xương, sừng, tóc, móng, vuốt.  

- Glycoprotein và glycolipid: + Glycoprotein: có một hoặc nhiều chuỗi oligosaccharide liên kết cộng hóa trị với

một phân tử protein (hình 3.21). Glycoprotein được tìm thấy trên bề mặt ngoài của màng nguyên sinh chất, trong matrix ngoại bào và trong máu. Ở trong tế bào, glycoprotein có trong một số bào quan như phức hệ golgi, các hạt thải tiết và lysosome. Tỉ lệ oligosaccharide của glycoprotein ít hơn rất nhiều so với các chuỗi glycosaminoglycan trong proteoglycan.

+ Glycolipid: là lipid màng trong đó các phân tử oligosaccharide nằm ở đầu ưa nước (hình 3.22). Giống như glycoprotein, oligosaccharide hoạt động như là vị trí nhận biết của các protein liên kết với carbohydrate.   

Tài liệu tham khảo

50

Tài liệu tiếng ViệtTrịnh Văn Bảo, Phan Thị Hoan, 2002. Chất sống. Trong: Các nguyên lý sinh học; Biên

soạn bởi Trịnh Văn Bảo (chủ biên), Phan Thị Hoan, Trần Thị Thanh Hương, Trần Thị Liên, Trần Đức Phấn, Phạm Đức Phùng, Nguyễn Văn Rực, Nguyễn Thị Trang; trang 11-29. NXB Y học, Hà Nội.

Phạm Thi Trân Châu, Trần Thị Áng, 1999. Hóa sinh học. NXB Giáo dục, trang 62-76.Đào Kim Chi, 2004. Glucid. Trong: Hóa sinh học; biên soạn bởi Nguyễn Xuân Thắng

(chủ biên), Đào Kim Chi, Phạm Quang Tùng, Nguyễn Văn Đồng; trang 10-28.  NXB Y học, Hà Nội.

Nguyễn Thị Hảo, 2005. Hóa học glucid. Trong: Hóa sinh y học; biên soạn bởi Đỗ Đình Hồ (chủ biên), Đông Thị Hoài An, Nguyễn Thị Hảo, Đỗ Đình Hồ, Phạm Thị Mai, Trần Thanh Lan Phương, Đỗ Thị Thanh Thủy, Lê Xuân Trường; trang 17-34. NXB Y học, Tp. Hồ Chí Minh.

Phan Hải Nam, 2000. Hóa sinh glucid. Trong: Hóa sinh y học; biên soạn bởi Hoàng Quang (chủ biên), Nguyễn Đình Độ, Trương Thị Minh Đức, Bạch Vọng Hải, Phan Hải Nam, Đoàn Trọng Phụ; trang 87-112. NXB Quân đội nhân dân, Hà Nội.

Lê Thị Kim Thu, 2002. Hóa sinh lâm sàng. NXB Y học, Hà Nội.Tài liệu Tiếng ĐứcBergmann, H. und Flachowsky, G., 1995. Naturwissenschaftliche Grundlagen und

globales Futterpotential. In: Nutztierernaehrung (Abel Hj., Flachowsky, G., Jeroch, H., Molnar S., Hrsg.), pp. 39-50. Gustav Fischer Verlag, Jena-Stuttgart, Gerrmany.

Engelhardt W. v., Breves G. (Hrsg.), 1999. Physiologie der Haustiere. Enke Verlag, Stuttgart, Germany.

Jeroch H., Drochner W., Simon, O., 1999. Ernaehrung landwirt-schaftlicher Nutztiere. Verlag Eugen Ulmer Stuttgart, Germany.

Kirchgessner, M., 1997. Tiernaehrung, 10. neubearbeitete Auflage, DLG-Verlag, Frankfurt am Main, Germany.

 Loeffler G., 1998. Kohlenhydrate. In: Biochemie und Pathobiochemie, 6. Auflage (Loeffler G., Petrides P. E., Hrsg.), pp. 121-132. Springer Verlag, Berlin, Germany.

Weissbach F., 1993. Wertbestimmende Bestandteile der Futtermittel. In: Futtermittelkunde (Jeroch H., Flachowsky G., Weissbach F., Hrsg.), pp. 18-32. Gustav Fischer Verlag Jena-Stuttgart, Germany.

Tài liệu tiếng AnhMcDonald P., Edwards R. A., Greenhalgh J. F. D., Morgan C. A., 1995. Animal

Nutrition, fifth edition. Longman Scientific & Technical, New York - USA, pp. 9-27.

Nelson D. L., Cox M. M., 2005. Lehninger Principles of Biochemistry, Fourth Edition. Freeman and Company, New York, USA.

Chương 4

HÓA HỌC LIPID

Lê Văn An, Hồ Trung Thông

51

                        Lipid là một nhóm chất hữu cơ đa dạng về mặt hóa học và phổ biến trong tự nhiên. Đặc điểm quan trọng của lipid là không tan hoặc rất ít tan trong nước (là dung môi phân cực) nhưng lại dễ tan trong các dung môi hữu cơ. Trong những điều kiện nhất định, lipid tan trong nước tạo thành dạng nhũ tương (là loại dung dịch có kích thước hạt phân tán tương đối lớn: > 10-5 cm). 4.1 Thành phần cấu tạo của lipid

Trong phần lớn các chất lipid có chứa hai thành phần chính là alcol và acid béo. Alcol và acid béo được nối với nhau bằng liên kết ester (alcol-acid béo) hoặc bằng liên kết amid (aminoalcol-acid béo). Ngoài ra, lipid còn có thể kết hợp với carbohydrate (tạo thành glycolipid) có vai trò cấu trúc (thành phần cấu tạo màng, …) hoặc kết hợp với protein (tạo thành lipoprotein) giữ vai trò quan trọng trong việc hòa tan và vận chuyển lipid trong máu, giúp hấp thu vitamin tan trong lipid, …  4.1.1 Acid béo4.1.1.1 Đặc điểm chung và danh pháp

Acid béo là những acid hữu cơ monocarboxyl có công thức chung là R-COOH. Các acid béo có chuỗi hydrocarbon biến động từ 4 đến 36 carbon (C4 đến C36). Các acid béo gặp trong thiên nhiên thường có số carbon chẵn, phần lớn có từ 14 đến 22 carbon, thường gặp nhất là các acid béo có 16, 18 và 20 carbon. Tuy nhiên trong thiên nhiên cũng có thể gặp các acid béo mạch ngắn (trong sữa) hoặc các acid béo có số carbon lẻ (11, 13, 15, 17 hoặc 19 carbon, ví dụ undecylenic acid có 11 carbon do tuyến nhờn ở da đầu tiết ra ở tuổi dậy thì có khả năng trừ nấm tóc). Có những acid béo mạch thẳng và no (không có liên kết đôi), tuy vậy cũng có những acid béo không no (có một hoặc nhiều liên kết đôi). Một số acid béo có vòng 3 nguyên tử carbon, nhóm hydroxyl hoặc nhóm methyl. Các acid béo có thể được gọi theo tên thông thường hoặc tên hệ thống, ví dụ acid béo có công thức C15H31COOH có tên thông thường là palmitic acid và tên hệ thống là hexadecanoic acid. Cách đánh số carbon của acid béo như sau:

 4.1.1.2 Phân loại acid béo theo mạch carbon

Acid béo cơ bản được phân loại theo chiều dài và số lượng liên kết đôi, gốc R (mạch thẳng, mạch nhánh, mạch vòng). 

- Acid béo mạch ngắn và mạch trung bình

52

Các acid béo thuộc nhóm này có từ 4-14 carbon. Tất cả các acid béo thuộc nhóm này đều là acid béo no, không tham gia cấu trúc màng sinh học, chức năng của các acid béo nhóm này là tạo năng lượng.

Bảng 4.1: Cấu tạo, đặc điểm và danh pháp của các acid béo mạch ngắn và acid béo mạch trung bình

Khung carbon

Cấu tạo hóa học Tên hệ thống 

Tên thường gọi 

Điểm nóng chảy (oC)

4:0 CH3(CH2)2COOH n-Butanoic acid Butyric acid - 7,9

6:0 CH3(CH2)4COOH n-Hexanoic acid Caproic acid - 3,9

8:0 CH3(CH2)6COOH n-Octanoic acid Caprylic acid 16,3

10:0 CH3(CH2)8COOH n-Decanoic acid Capric acid 31,3

12:0  CH3(CH2)10COOH n-Dodecanoic acid Lauric acid 44,2

14:0  CH3(CH2)12COOH n-Tetradecanoic acid Myristic acid 53,9

 - Acid béo mạch dài

Bảng 4.2: Cấu tạo, đặc điểm và danh pháp của một số acid béo mạch dàiKhung carbon

Cấu tạo hóa học Tên hệ thống 

Tên thường gọi (acid + )

Điểm nóng chảy (oC)

16:0 CH3(CH2)14COOH n-Hexadecanoic acid Palmitic acid 63,1

18:0 CH3(CH2)16COOH n-Octadecanoic acid Stearic acid 69,6

20:0 CH3(CH2)18COOH n-Eicosanoic acid Arachidic acid 76,5

16:1 (Δ9) CH3(CH2)5CH=CH(CH2)7COOH

cis-9-Hexadecenoic acid Palmitoleic acid 1-0,5

18:1 (Δ9) CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH

cis-9-Octadecenoic acid Oleic acid 13,4

18:2 (Δ9,12) CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH

cis-,cis-9,12-Octadecadienoic acid

Linoleic acid 1-5

18:3 (Δ9,12,15)

CH3CH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH

cis-,cis-,cis-9,12,15 Octadecatrienoic acid

Linolenic acid - 11

20:4 (Δ5,8,11,14)

CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=

CH(CH2)3COOH

cis-,cis-,cis-,cis-5,8,11,14 Eicosatetraenoic acid

Arachidonic acid

- 49,5

Acid béo mạch dài là những acid béo có từ 16 carbon trở lên, thường gặp nhất là các acid béo có 16, 18 và 20 carbon, có thể no (bão hòa) hoặc không no (chưa bão hòa). Acid béo mạch dài có nhiều vai trò sinh học quan trọng như vai trò tạo năng lượng, dự trữ năng lượng (là thành phần của triglycerid), lipid màng, vật liệu cho các quá trình sinh tổng hợp một số hợp chất có vai trò sinh học quan trọng khác như prostaglandin, leukotrien, … . Trong số các loại acid béo này có những acid béo cơ thể không tổng hợp được mà phải được cung cấp từ thức ăn, các acid béo này được gọi là acid béo thiết yếu (linoleic, linolenic và arachidonic acid). Các loại dầu thực vật như dầu đậu nành, dầu mè,

53

dầu lạc chứa nhiều acid béo thiết yếu. Trong tế bào, các acid béo tự do tồn tại ở dạng muối, do đó tên acid béo có thể được gọi theo tên muối của nó ví dụ palmitate, palmitoleate, stearate. 

- Acid béo mạch rất dài Các acid béo nhóm này có từ 22 nguyên tử carbon trở lên. Do cấu trúc mạch carbon

rất dài và kị nước cho nên các acid béo nhóm này rất khó tan. Các acid béo mạch rất dài tham gia cấu tạo màng sinh học, ví dụ docosahexaenoic acid (DHA) có trong phospholipid của một số mô như võng mạc.   

Bảng 4.3: Cấu tạo, đặc điểm và danh pháp của một số acid béo mạch rất dài

Khung carbon Cấu tạo hóa học Tên hệ thống 

Tên thường gọi 

Điểm nóng chảy

(oC)

22:0  CH3(CH2)20COOH n-Docosanoic acid Behenic acid 80

24:0  CH3(CH2)22COOH n-Tetracosanoic acid Lignoceric acid 86,0

26:0  CH3(CH2)24COOH n-Hexacosanoic acid Cerotic acid 87,7

22:4 (Δ4,8,12,15,19)

 C22H34O2 Docosapentaenoic acid Clupanodonic acid

< - 78

 Bảng 4.4: Các họ acid béo không no

Họ acid béo không no

Khung carbon

Tên thường gọi Cấu tạo hóa học

ω7 hay n-7 16:1 (Δ9) Palmitoleic acid CH3(CH2)5CH=CH(CH2)7COOH

ω9 hay n-9 18:1(Δ9) Oleic acid CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH

ω6 hay n-6 18:2(Δ9,12) Linoleic acid CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH

ω3 hay n-3 18:3(Δ9,12,15) Linolenic acid CH3CH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH

 - Acid béo không noTrong tự nhiên thường gặp các acid béo không no có từ 18-20 carbon. Theo số

lượng liên kết đôi, người ta chia các acid béo không no thành hai loại: acid béo không no một liên kết đôi (monoethylenic/ monounsaturated) và acid béo không no nhiều liên kết đôi (polyethylenic/ polyunsaturated). Vị trí các liên kết đôi sắp xếp theo quy luật: ở đa số các acid béo có một liên kết đôi thì vị trí liên kết đôi ở giữa carbon số 9 và số 10 (Δ 9), các liên kết đôi khác thường ở vị trí Δ12 và Δ15. Hầu hết các acid béo không no trong tự nhiên đều ở dạng đồng phân cis và có điểm nóng chảy thấp hơn acid béo no (cùng số carbon). Một số acid béo không no như elaidic acid, α-eleostearic acid, vacenic acid, …. có liên kết đôi ở dạng trans.

54

 Bảng 4.5: Một số acid béo không no thường gặp

Số carbon và vị trí liên kết đôi

Họ Tên thông thường

Tên hệ thống Thường gặp

Acid béo 1 liên kết đôi

16:1 (Δ9) ω7 Palmitic acid cis-9-Hexadecenoic acid Có ở hầu hết các chất béo

18:1 (Δ9) ω9 Oleic acid cis-9-Octadecenoic acid Là thành phần acid béo chung của hầu hết các chất béo

18:1 (Δ9) ω9 Elaidic acid trans-9-Octadecenoic acid

Thường gặp ở dạng bị khử

22:1 (Δ13) ω9 Erucic acid cis-13-Docosenoic acid  

24:1 (Δ15) ω9 Nervonic acid cis-15-Tetracosenoic acid

Thường gặp trong cerebrosid

  Acid béo 2 liên kết đôi18:2 (Δ9,12) ω6 Linoleic acid cis-9,12-

Octadecadienoic acidCó nhiều trong bắp, đậu nành, …

  Acid béo 3 liên kết đôi

18:3 (Δ6,9,12) ω6 γ-Linolenic acid

cis-6,9,12-octadecatrienoic acid

Có nhiều ở thực vật, trứng, …

18:3 (Δ9,12,15) ω3 α-Linolenic acid

cis-9,12,15-octadecatrienoic acid

Thường gặp cùng với acid linoleic

  Acid béo 4 liên kết đôi

20:4 (Δ5,8,11,14) ω6 Arachidonic acid

cis-5,8,11,14-eicosatetraenoic acid

Là thành phần quan trọng của phospholipid động vật, có nhiều trong dầu lạc

  Acid béo 5 liên kết đôi

20:5 (Δ5,8,11,14,17) ω3 Timnodonic acid

cis-5,8,11,14,17- eicosapentaenoic

(EPA)

Có nhiều trong dầu cá và trong trứng

22:5 (Δ7,10,13,16,19) ω3 Clupanodonic acid

cis-7,10,13,16,19-docosapentaenoic acid

(DPA)

Có nhiều trong dầu cá, phospholipid não

  Acid béo 6 liên kết đôi22:6

(Δ4,7,10,13,16,19)ω3 Cervonic acid cis-4,7,10,13,16,19-

docosahexaenoic acid (DHA)

Có nhiều trong dầu cá, phospholipid não

Đồng phân cis có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn đồng phân dạng trans, ví dụ oleic acid là dạng cis nóng chảy ở nhiệt độ 13,4oC còn elaidic acid là dạng trans thì nóng chảy ở nhiệt độ 43,7oC. Ngoài ra, đồng phân dạng cis kém bền vững hơn đồng phân dạng trans. Ở động vật, acid béo không no có thể có tới 22 carbon và 6 liên kết đôi, các liên kết đôi đứng kế tiếp cách nhau 3 carbon. Trong lúc đó ở thực vật các acid béo không no có

55

không quá 20 carbon và 4 liên kết đôi và các liên kết đôi đứng kế tiếp có thể chỉ cách nhau 2 carbon (ví dụ: eleostearic acid: 18:3 (Δ9,11,13)). Trong họ acid béo ω3, acid béo EPA (20:5)và DHA (22:6) giữ vai trò đặc biệt quan trọng trong quá trình phát triển của tế bào não ở thời kì đầu của quá trình sinh trưởng. Trong các nhóm acid béo không no có nhóm eicosanoic acid (được tạo thành từ arachidonic acid: 20:4) giữ vai trò quan trọng, là tiền chất của nhiều chất có hoạt tính sinh học quan trọng như prostaglandin, thromboxan và leukotrien. 

- Một số loại acid béo khác  Ngoài các loại acid béo thường gặp nói trên, trong tự nhiên còn có những acid béo

khác như acid béo có nhóm -OH, acid béo mạch nhánh, acid béo có mạch vòng, …+ Ở động vật có vú, trong nhiều glycolipid có acid béo có nhóm OH, ví dụ:

cerebronic acid (CH3-(CH2)21-CH(OH)-COOH), là một dẫn xuất của lignoceric acid, có trong cerebrosid.

+ Prostaglandin có ở nhiều loại tế bào đặc biệt có nhiều trong tinh dịch là dẫn xuất từ acid béo mạch vòng prostanoic. 4.1.2 Alcol của lipid

Alcol của lipid được chia thành nhiều nhóm khác nhau: glycerol, các alcol bậc cao, aminoalcol và sterol. Ngoài ra, trong tự nhiên còn có alcol không no, ví dụ phytol (là một thành phần của chlorophyl và lycophyl) là một dihydroxylalcol không no có nhiều liên kết đôi là chất màu đỏ tía trong cà chua.

- Glycerol là một alcol đa chức có trong thành phần cấu tạo của glycerid và phosphatid.

- Các alcol cao phân tử thường tham gia vào thành phần của các chất sáp.- Aminoalcol tham gia vào thành phần cấu tạo của cerebrosid và một số phosphatid.

Aminoalcol thường gặp là :+ Sphingosin (thành phần cấu tạo của sphingolipid):      

CH3-(CH2)12-CH=CH-CH(OH)-CH(NH2)-CH2-OH               + Cerebrin (có nhiều trong nấm men, hạt ngô):  

CH3-(CH2)13-CH(OH)-CH(OH)-CH(NH2)-CH2-OH- Sterol: tiêu biểu cho sterol là cholesterol trong mô bào động vật, sterol khi ester

hóa với acid béo tạo thành sterid.  4.2 Phân loại lipid4.2.1 Lipid thuần4.2.1.1 Triacylglycerol

56

Triacylglycerol là loại lipid đơn giản nhất và còn được gọi là triglycerid, mỡ hoặc mỡ trung tính. Triacylglycerol được tạo thành do ba phân tử acid béo kết hợp với  glycerol bằng các liên kết ester. Các acid béo này có thể cùng loại ở tất cả ba vị trí và trong trường hợp này được gọi là triacylglycerol đơn giản. Tuy vậy hầu hết các triacylglycerol trong tự nhiên là dạng hỗn hợp của nhiều loại acid béo, chúng có hai hoặc ba loại acid béo (hình 4.3). Vì nhóm hydroxyl phân cực của glycerol và nhóm carboxyl phân cực của acid béo đã nằm trong liên kết ester, cho nên  triacylglycerol là những phân tử không phân cực, kị nước và không tan trong nước. Tỉ trọng của lipid nhỏ hơn tỉ trọng của nước. Ở động vật, triacylglycerol có nhiều trong tế bào mỡ, còn ở nhiều loài thực vật triacylglycerol được dự trữ dưới dạng  dầu và là chất dự trữ năng lượng đồng thời là tiền chất của quá trình nảy mầm.

Hầu hết các loại lipid trong tự nhiên như dầu thực vật, mỡ sữa và mỡ động vật đều là hỗn hợp của triacylglycerol đơn giản và triacyglycerol hỗn hợp. Chúng có nhiều loại acid béo

57

khác nhau về độ dài mạch carbon cũng như mức độ bão hòa. Các loại dầu thực vật như dầu ngô, dầu đậu nành, dầu lạc, dầu mè (vừng) đều chứa nhiều triacylglycerol vốn có các acid béo không no, do đó chúng tồn tại ở thể lỏng ở nhiệt độ phòng. Triacylglycerol chỉ chứa các acid béo no như tristearin là thành phần chính của mỡ bò tồn tại ở dạng đặc ở nhiệt độ phòng. Nếu thức ăn giàu lipid tiếp xúc với oxy không khí lâu ngày sẽ bị ôi. Mùi và vị khó chịu là do sự phân cắt liên kết đôi của acid béo không no, sự oxy hóa này sẽ tạo thành aldehyde và carboxylic acid có mạch carbon ngắn hơn và dễ bay hơi hơn.

4.2.1.2 Sterol và các hợp chất steroid

Steroid và dẫn xuất của chúng là một nhóm lớn trong tự nhiên có đặc điểm chung là không thủy phân được và có chứa nhân steran hay còn gọi là nhân steroid (cyclopentanoperhydrophenanthren) (hình 4.4). Các steroid quan trọng ở động vật bao gồm các sterol và các dẫn xuất như acid mật, muối mật, vitamin D, các loại hormone steroid.

Sterol là lipid cấu trúc, tham gia cấu tạo màng của hầu hết các tế bào eukaryote. Cholesterol là một sterol tiêu biểu của mô bào động vật. Đặc điểm cấu tạo của cholesterol là có một đầu phân cực (nhóm hydroxyl ở C-3) và phần hydrocarbon còn lại không phân cực. Phần không phân cực này bao gồm nhân steroid và chuỗi hydrocarbon ở vị trí C-17.

58

Một số sterol tương tự cholesterol được tìm thấy trong các tế bào eukaryote khác, ví dụ stigmasterol ở thực vật, ergosterol ở nấm. Vi khuẩn không thể tổng hợp sterol, tuy vậy một số vi khuẩn có thể kết hợp sterol từ môi trường ngoài vào màng của chúng. Ngoài vai trò tham gia cấu tạo màng, sterol còn đóng vai trò là tiền chất để tổng hợp nên nhiều chất có vai trò sinh học quan trọng khác, ví dụ: các steroid hormone là những tín hiệu sinh học điều khiển sự biểu hiện gene, các acid mật là các dẫn xuất phân cực của cholesterol hoạt

59

động như là những chất tẩy (detergent) trong ruột và nhũ tương hóa mỡ của thức ăn, từ đó làm cho chúng có thể tiếp cận được với enzyme lipase của đường tiêu hóa. 4.2.1.3 Sáp (serid)

Sáp là ester của acid béo cao phân tử no hoặc không no (C14-C36) và alcol cao phân tử (C16-C30). Điểm nóng chảy của sáp thường cao hơn điểm nóng chảy của triacylglycerol và thường nằm trong khoảng 60-100oC. Vai trò sinh học của sáp đa dạng và liên quan đến tính chất kị nước và rắn của sáp. Tuyến da của động vật có xương sống tiết ra chất sáp có tác dụng bảo vệ tóc và da, giữ cho da mềm, trơn và không thấm nước. Chim và gia cầm đặc biệt là những loài thủy cầm tiết ra chất sáp từ tuyến phao câu có tác dụng chống thấm nước. Sáp không chỉ có ở động vật mà còn có ở thực vật. Lá của nhiều loài thực vật ở nhiệt đới được bao phủ bởi một lớp sáp mỏng có tác dụng chống thoát hơi nước quá mức đồng thời bảo vệ trước sự tấn công của côn trùng

   4.2.2 Lipid phức tạp4.2.2.1 Glycerophospholipid  

Glycerophospholipid còn được gọi là phosphoglyceride là lipid màng. Cấu trúc của glycerophospholipid gồm có 2 acid béo liên kết với glycerol bằng cầu nối ester với carbon số 1 và số 2 của glycerol và một nhóm phân cực hoặc tích điện được gắn vào glycerol bằng liên kết phosphodiester với nguyên tử carbon số 3. Hợp chất

60

glycerophosspholipid đơn giản nhất là phosphatidic acid. Từ hợp chất này sẽ có nhiều dẫn xuất khác nhau như phosphatidylcholine, phosphatidylethanolamine (hình 4.8, hình 4.9, bảng 4.6).

Nhiều loại acid béo có thể tham gia cấu tạo glycerophospholipid do đó có nhiều loại phân tử glycerophospholipid khác nhau. Nói chung, glycerophospholipid chứa một acid béo no có 16 hoặc 18 carbon ở vị trí số 1 và một acid béo không no có 18 hoặc 20 carbon ở vị trí số 2. Mô bào động vật chứa nhiều ether lipid (hình 4.10). Trong cấu tạo của ether lipid một trong hai chuỗi acyl được gắn vào glycerol bằng liên kết ether chứ không phải bằng liên kết ester. Chuỗi có liên kết ether này có thể no hoặc chứa một liên kết đôi ở vị trí carbon số 1 và carbon số 2 (ví dụ trong plasmalogen).

61

Chức năng của các ether lipid hiện chưa biết hết, có thể một trong những chức năng của nó là kháng lại sự xúc tác của phospholipase nhằm cắt đứt liên kết ester của acid béo trong lipid màng. Vai trò của một loại ether lipid đã được làm sáng tỏ, ether lipid này là yếu tố hoạt hóa tiểu cầu (platelet-activating factor). Yếu tố hoạt hóa tiểu cầu là một tín hiệu ở mức phân tử quan trọng, nó được giải phóng từ bạch cầu basophil (bạch cầu ưa kiềm, tế bào β). Yếu tố này kích thích sự tụ lại của tiểu cầu và giải phóng serotonin (là chất làm co mạch quản / vasoconstrictor) từ tiểu cầu. Ngoài ra, yếu tố này còn có nhiều ảnh hưởng đối với nhiều mô bào khác nhau như gan, cơ trơn, tim, tử cung và phổi và đồng thời đóng một vai trò quan trọng trong phản ứng viêm và dị ứng. 

    

 

4.2.2.2 SphingolipidSphingolipid là một nhóm lipid màng lớn, chúng có một đầu phân cực và hai đuôi

không phân cực, tuy vậy chúng không giống với glycerophospholipid và galactolipid vì trong cấu trúc của sphingolipid không có glycerol (hình 4.11). Alcol của sphingolipid là sphingosine, là một aminoalcol mạch dài. Khi chỉ có một acid béo gắn với sphingosine ở vị trí carbon số 2 sẽ tạo thành hợp chất tương ứng có tên gọi là ceramid. Sphingolipid được chia thành 3 nhóm nhỏ khác nhau: sphingomyelin (1), glycolipid trung tính (không tích điện) (2) và ganglioside (3). Sphingomyelin chứa phosphocholine hoặc phosphoethanolamine, do đó nó còn được xếp vào nhóm phospholipid. Sphingomyelin có trong màng nguyên sinh của tế bào động vật, đặc biệt ở màng myelin của tế bào thần kinh là màng bao xung quanh và có tác dụng cách điện cho phần axon của tế bào thần kinh.

62

Glycosphingolipid có nhiều ở mặt ngoài của màng nguyên sinh chất. Thành phần cấu tạo của glycosphingolipid có một hoặc nhiều gốc đường liên kết trực tiếp với nhóm -OH ở vị trí carbon số 1 của ceramide và không chứa phosphate. Trong cấu trúc của cerebroside chỉ có một gốc đường đơn galactose hoặc glucose. Cerebroside có ở màng nguyên sinh của tế bào, tuy vậy cerebroside có gốc đường galactose đặc trưng cho những mô bào trung tính; ngược lại, cerebroside có gốc đường là glucose đặc trưng cho những mô bào không trung tính. Globoside là các glycosphingolipid trung tính (không tích điện) có hai hoặc nhiều gốc đường mà các gốc đường này thường là D-glucose, D-galactose, hoặc N-acetyl-D-galactosamine. Cerebroside và globoside còn được gọi là glycolipid trung tính vì chúng không tích điện ở pH = 7.

Ganglioside là sphingolipid phức tạp nhất, trong thành phần cấu tạo chứa oligosaccharide. Cấu trúc của oligosaccharide có một hoặc nhiều gốc N-acetylneuraminic acid, acid này thường được gọi là sialic acid. Sự có mặt của sialic acid làm cho ganglioside tích điện âm ở pH = 7. 

63

4.2.2.3 Galactolipid và sulfolipidNhóm lipid này có ở thực vật. Galactolipid có nhiều ở lục lạp và trong thành phần

cấu tạo của galactolipid có một hoặc hai gốc galactose liên kết trực tiếp với 1,2-diacylglycerol. Đối với sulfolipid, một gốc glucose được sulfonate hóa liên kết trực tiếp với một diacylglycerol bằng liên kết glycoside.  

Ngoài phương pháp phân loại dựa theo thành phần cấu tạo như trên, lipid còn được phân loại theo chức năng. Theo cách này, lipid được chia thành lipid dự trữ (còn gọi là lipid trung tính) và lipid màng (lipid phân cực). Triacylglycerol là lipid dự trữ. Phospholipid (glycerophospholipid, sphingolipid) và glycolipid (sphingolipid, galactolipid) đều là những lipid màng. 4.3 Khái niệm về lipoprotein

Cholesterol, cholesteryl ester cũng như triacylglycerol và phospholipid đều không tan trong nước, do đó để đi từ mô bào này sang mô bào khác, chúng phải được vận chuyển trong máu bằng cách kết hợp với protein tạo thành các lipoprotein (LP) gọi là lipoprotein huyết tương. Phần protein của các LP làm nhiệm vụ vận chuyển lipid được gọi là apolipoprotein (còn gọi là apoprotein). Ở bề mặt của các LP, apolipoprotein có tác dụng ổn định cấu trúc của các LP, giúp cho các phân tử LP phân tán, vận chuyển được ở trong máu. Ngoài ra, apolipoprotein còn có những chức năng khác tùy theo cấu trúc và tỉ trọng của từng loại lipoprotein. 

Bảng 4.8: Các loại lipoprotein huyết tương chủ yếu của người

Lipoprotein Thành phần (% trọng lượng)

64

Tỉ trọng (g/ml)

Protein Phospholipid Cholesterol tự do

Cholesteryl ester

Triacylglycerol

Chylomicron < 1,006 2 9 1 3 85

VLDL 0,95-1,006 10 18 7 12 50

LDL 1,006-1,063 23 20 8 37 10

HDL 1,063-1,210 55 24 2 15 4

Cấu tạo của LP có hai lớp: lớp lõi ở trung tâm và lớp vỏ ở bề mặt. Lớp lõi gồm các lipid kị nước (ví dụ: triglycerid), lớp áo bề mặt là các phân tử lipid phân cực (ví dụ: phospholipid) và các phân tử protein. Phospholipid là phần lipid phân cực nhất chủ yếu nằm giữa phần lipid không phân cực và phần protein giữ vai trò là chất gắn kết hai nhóm chất này. Sự liên kết giữa apolipoprotein với lipid tạo thành nhiều loại hạt lipoprotein, chúng khác nhau về tỉ trọng biến động từ thấp nhất (chylomicron) tới các lipoprotein có tỉ trọng cao.

- Chylomicron: có kích thước lớn nhất (750-1000nm), do đó tỉ trọng nhỏ nhất. Chylomicron được tổng hợp ở lưới nội nguyên sinh trơn của tế bào niêm mạc ruột non sau đó được vận chuyển về gan rồi nhập vào dòng máu nhờ hệ thống mạch bạch huyết. Chylomicron chỉ chứa một tỉ lệ protein rất thấp (< 5%) và thành phần lipid chủ yếu là triacylglycerol. Apolipoprotein của chylomicron bao gồm apoB-48, apoE và apoC-II. ApoC-II hoạt hóa lipoprotein lipase trong mao mạch của mô mỡ, tim, cơ vân và tuyến vú thời kì tiết sữa. Với sự xúc tác của enzyme này, acid béo sẽ được giải phóng vào các mô bào này. Như vậy, vai trò của chylomicron là vận chuyển acid béo tới các mô bào để phục vụ nhu cầu nhiên liệu hoặc sử dụng cho mục đích dự trữ. Sau khi đi qua mao mạch, hầu hết triacylglycerol được giữ lại ở những mô bào này, phần còn lại của chylomicron (một ít triacylglycerol, cholesterol, apoE, apoB-48) sẽ di chuyển theo dòng máu về gan. Receptor của tế bào gan sẽ liên kết với apoE của phần còn lại của chylomicron và nó sẽ được đưa vào tế bào gan bằng con đường endocytosis (nội thực bào). Ở trong tế bào gan, phần còn lại của chylomicron sẽ giải phóng cholesterol và cholesterol sẽ được phân giải trong lysosome.  

 

65

- Lipoprotein có tỉ trọng rất thấp (VLDL): có kích thước nhỏ hơn và nhiều protein hơn chylomicron. VLDP vận chuyển triacylglycerol từ gan tới các mô ngoại biên. Ngoài triacylglycerol, VLDL còn chứa một ít cholesterol, cholesteryl ester, và các apolipoprotein như apoB-100, apoC-I, apoC-II, apoC-III và apoE. Các LP này được vận chuyển trong máu từ gan đến mô cơ và mô mỡ. Khi đến các mô này, apoC-II sẽ hoạt hóa lipoprotein lipase, do đó acid béo tự do sẽ được giải phóng. Tế bào mỡ sẽ sử dụng các acid béo này để tổng hợp mới triacylglycerol và dự trữ dưới dạng các hạt mỡ trong tế bào, còn tế bào cơ sẽ sử dụng các acid béo cho mục đích khai thác năng lượng.

- Lipoprotein có tỉ trọng thấp (LDL): khi VLDL mất dần thành phần triacylglycerol, VLDL sẽ trở thành VLDL-remnant (phần còn lại của VLDL hay còn gọi là IDL: Intermediate density lipoprotein). Nếu tiếp tục mất triacylglycerol, IDL sẽ trở thành LDL với đặc điểm rất giàu cholesterol và cholesteryl ester và apoB-100 là apolipoprotein chính, LDL vận chuyển cholesterol đến các mô bào ngoài gan. Các mô bào này có receptor nhận biết apoB-100, do đó sẽ thúc đẩy hấp thu cholesterol và cholesteryl ester.

- Lipoprotein có tỉ trọng cao (HDL): có kích thước nhỏ nhất, có nguồn gốc từ gan và ruột non. Thành phần cấu tạo của HDL giàu protein (khoảng 50% là protein), rất ít cholesterol và không có cholesteryl ester. HDL chứa apoA-I, apoC-I, apoC-II và nhiều loại apolipoprotein khác như enzyme lecithin-cholesterol acyl transferase (LCAT).   4.4 Vai trò của lipid đối với cơ thể động vật            Cấu tạo hóa học của lipid đa dạng, do đó chức năng của lipid cũng rất đa dạng. 4.4.1 Kiến tạo cơ thể

66

 Lipid là thành phần quan trọng cấu tạo nên màng sinh học và tạo thành hàng rào bao xung quanh tế bào và các bộ phận của tế bào. Tùy theo từng loại mô bào khác nhau mà có thành phần và tỉ lệ các loại lipid khác nhau. Các loại lipid tham gia cấu tạo màng sinh học bao gồm glycerophospholipid, sphingomyelin và sterol (cholesterol). Tùy theo từng mô bào và loại màng, hàm lượng lipid có thể thay đổi rất khác nhau; ví dụ màng myelin chứa 79% là lipid, trong khi đó màng trong của ti thể chỉ có 24% lipid. Lipid màng chiếm tới 5-10% vật chất khô của hầu hết các loại tế bào. Lipid dự trữ chiếm đến trên 80% trọng lượng của một tế bào mỡ. Chi tiết về chức năng kiến tạo cơ thể của lipid được mô tả trong chương 11: Màng sinh học và cơ chế vận chuyển xuyên màng. 4.4.2 Dự trữ năng lượng

Mỡ và dầu thực vật là dạng dự trữ năng lượng chủ yếu ở nhiều loài sinh vật. Trong cơ thể động vật, triacylglycerol (còn gọi là lipid trung tính) đóng vai trò là chất dự trữ năng lượng và được dự trữ trong các tế bào mỡ (adipocyte) ở các mô mỡ. Tế bào mỡ chứa enzyme lipase, enzyme này xúc tác quá trình thủy phân triacylglycerol dự trữ, do đó acid béo được giải phóng và được vận chuyển đến các khu vực cần được cung cấp nhiên liệu. Khi so sánh dự trữ nhiên liệu dưới dạng triacylglycerol và dạng polysaccharide như glycogen và tinh bột người ta thấy dự trữ nhiên liệu dưới dạng triacylglycerol có hai lợi thế có ý nghĩa. Thứ nhất, với trọng lượng như nhau, khi oxy hóa triacylglycerol sẽ cung cấp năng lượng nhiều hơn rất nhiều (hơn gấp đôi) so với khi oxy hóa carbohydrate (bảng 4.9). Thứ hai, vì triacylglycerol có tính kị nước do vậy không bị hydrate hóa, sinh vật sử dụng mỡ như là một nguồn nhiên liệu dự trữ không phải mang theo một lượng nước hydrate hóa. Đối với polysaccharide là chất dự trữ, cứ 01 g polysaccharide thì có 02 g nước hydrate hóa. Tuy vậy, carbohydrate như glucose và glycogen có ưu điểm là cung cấp năng lượng nhanh, tức thời cho nhu cầu của cơ thể, một trong những lý do là chúng đã hòa tan trong nước. 

 

Bảng 4.9: Giá trị năng lượng khi đốt cháy một số chất

Chất Năng lượng tổng số (kJ/g)

Chất Năng lượng tổng số (kJ/g)

Protein (trung bình) 23,8 Cellulose thức ăn 17,8

Casein 24,5 Glucose 15,6

Dầu lạc 39,7 Saccharose 16,5

Mỡ lợn 38,8 Lactose 16,4

Mỡ sữa 38,9 Acetic acid 14,6

Tinh bột 17,3 Propionic acid 20,8

Glycogen 17,5 Methan 55,2 

4.4.3 Dung môi hòa tan vitamin Lipid là dung môi hòa tan các vitamin A, D, E và K.

4.4.4 Giữ nhiệt cho cơ thể

67

 Đối với những động vật sống ở vùng nhiệt độ thấp, lớp mỡ dưới da có tác dụng giữ nhiệt cho cơ thể. Vai trò này đặc biệt quan trọng đối với động vật sống ở vùng cực (hải cẩu, hải mã, chim cánh cụt) và các động vật ngủ đông (gấu). 4.4.5 Bảo vệ cơ học

 Lớp mỡ dưới da của động vật có tác dụng bảo vệ cơ thể động vật trước các tác động cơ học. 4.4.6 Cung cấp nước nội sinh

 Đối với các động vật ngủ đông, động vật di cư, động vật sống ở những vùng khô hạn như trên sa mạc, … lipid còn là nguồn cung cấp nước vì một lượng nước lớn được tạo ra khi oxy hóa mỡ. 4.4.7 Một số vai trò quan trọng khác4.4.7.1 Vai trò của các hormone steroid

Các hormone steroid vận chuyển thông tin giữa các tế bào. Steroid là dẫn xuất bị oxy hóa của sterol, chúng có nhân steroid nhưng không có chuỗi alkyl gắn vào vòng D của cholesterol và phân cực hơn so với cholesterol. Testosterone, estradiol, cortisol, aldosterone đều là những hormone steroid.  Testosterone là hormone sinh dục đực được sản xuất ở tinh hoàn. Estradiol là hormone sinh dục cái được sản xuất ở buồng trứng và nhau thai. Cortisol và aldosterone là các hormone được tổng hợp ở miền vỏ tuyến thượng thận có tác dụng điều hòa chuyển hóa glucose và đào thải muối. Prednisolone và prednisone đều là những steroid tổng hợp được sử dụng trong nhiều ứng dụng y học khác nhau như: yếu tố kháng viêm; yếu tố ức chế giải phóng archidonate do sự xúc tác của phospholipase A2 , từ đó ức chế tổng hợp leukotrien, prostaglandin và thromboxane; thuốc điều trị hen suyễn và viêm khớp. Các hormone này di chuyển theo dòng máu (dựa vào protein vận chuyển) từ nơi nó được sản xuất ra đến các mô bào mục tiêu. Sau khi vào tế bào mục tiêu, hormone sẽ gắn vào receptor có tính đặc hiệu cao ở trong nhân, từ đó tạo ra sự thay đổi sự biểu hiện gene và sự chuyển hóa.4.4.7.2 Vai trò của phosphatidylinositol và các dẫn xuất của sphingosine

Phosphatidylinositol và các dẫn xuất phosphoryl hóa của nó có ảnh hưởng ở nhiều mức độ khác nhau để điều khiển cấu trúc và sự trao đổi chất của tế bào. Phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate nằm ở mặt trong của màng nguyên sinh chất đóng vai trò là điểm kết nối cho các protein thuộc hệ thống cytoskelet. Nó còn đóng vai trò là chất dự trữ của các phân tử thông tin, các phân tử thông tin này được giải phóng trong tế bào khi tế bào đáp ứng lại các tín hiệu ngoại bào tương tác với các receptor nằm ở mặt ngoài của màng nguyên sinh chất.       4.4.7.3 Vai trò của các sphingolipid

Có nhiều loại sphingolipid khác nhau đã được phát hiện trong màng tế bào, đặc biệt là trong màng nguyên sinh của tế bào thần kinh. Nhiều loại sphingolipid được tìm thấy tại vị trí nhận biết ở trên bề mặt của tế bào, tuy vậy chỉ một số ít loại sphingolipid đã được xác định rõ vai trò của chúng trong cơ thể. Sphingolipid màng cũng có thể đóng vai trò là chất thông tin nội bào. Ceramide và sphingomyelin là chất điều hòa đối với enzyme protein kinase. Ceramide hoặc các dẫn xuất của nó có liên quan đến các quá trình: điều hòa phân chia tế bào, biệt hóa tế bào, sự di trú của tế bào, sự chết của tế bào theo chương trình. Ở người, một số loại sphingolipid quyết định nhóm máu.  4.4.7.4 Vai trò của các chất eicosanoid

68

Các chất eicosanoid mang thông tin đến các tế bào bên cạnh. Các chất eicosanoid là những hormone chỉ có ảnh hưởng đến tế bào bên cạnh vị trí tổng hợp ra các hormone này mà không được vận chuyển trong máu để đến các mô bào hoặc cơ quan khác. Tất cả các chất eicosanoid đều được tổng hợp từ arachidonic acid (20:4 (Δ5,8,11,14)). Người ta đã biết là chúng có liên đến các quá trình sau: sinh sản, viêm, sốt, đau do tổn thương hoặc bệnh lý, đông máu và điều hòa huyết áp, sản sinh acid của dạ dày và nhiều quá trình quan trọng khác. Có ba loại eicosanoid: prostaglandin, thromboxane và leukotrien.

- Prostaglandin (PG): được chia thành 2 nhóm: PGE là PG tan trong ether và PGF là PG tan trong đệm phosphate, từ các nhóm này lại được chia thành nhiều loại khác nhau như PGE1, PGE2, …  PG lần đầu tiên được tìm thấy ở tuyến tiền liệt (prostate gland), có trong nhiều loại mô của động vật có xương sống. Ảnh hưởng của PG ở nhiều loại mô bào thông qua việc điều khiển quá trình tổng hợp chất thông tin nội bào 3',5'-AMP vòng (cAMP). cAMP ảnh hưởng đến hoạt động của nhiều loại hormone khác nhau, do đó vai trò sinh học của PG rất đa dạng và phức tạp: kích thích co cơ trơn tử cung, ảnh hưởng đến dòng máu đi đến một số mô bào, chu kì thức-ngủ, phản ứng của một số mô bào đối với hormone như hormone epinephrine và glucagon, làm gia tăng thân nhiệt (tạo ra sốt), gây nên dị ứng và đau.

- Thromboxane: được tạo ra bởi tiểu cầu, có tác dụng chủ yếu trong quá trình đông máu.

- Leukotrien: lần đầu tiên được tìm thấy ở bạch cầu (leukocyte). Leukotrien D4

làm co cơ khí quản, do đó khi leukotrien D4 được tạo thành quá nhiều sẽ dẫn đến khó thở. Triệu chứng này gặp trong nhiều trường hợp như hen suyễn, hoặc phản ứng dị ứng khi bị ong đốt, penicillin hoặc các tác nhân khác. 4.4.7.5 Vai trò của sterol

Ngoài các vai trò như đã được mô tả ở các phần nêu trên, cholesterol còn là nguyên liệu tổng hợp nên acid mật. Acid mật có vai trò quan trọng trong quá trình nhũ tương hóa lipid của thức ăn và vận chuyển acid béo từ xoang ruột vào tế bào niêm mạc ruột non (xem thêm chương chuyển hóa lipid). Vitamin D3 còn được gọi là cholecalciferol được tạo thành trong da từ 7-dehydrocholesterol thông qua một phản ứng quang hóa dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời. Bản thân vitamin D3 không có hoạt tính sinh học mà nó sẽ được chuyển hóa trong gan và thận để tạo thành 1,25-dihydroxycholecalciferol. Hợp chất 1,25-dihydroxycholecalciferol là một hormone điều hòa việc hấp thu calcium trong ruột non và điều hòa mức calcium trong thận và xương. Giống như các hormone steroid khác, 1,25-dihydroxycholecalciferol điều hòa sự biểu hiện gene, ví dụ tổng hợp một protein có khả năng gắn với calcium trong ruột non. Ngoài vitamin D3, vitamin D2 (ergocalciferol) được tạo thành từ ergosterol của tế bào nấm men bằng cách chiếu tia UV (tia tử ngoại: ultraviolet). Cấu trúc của vitamin D2 tương tự vitamin D3, chúng chỉ có sự sai khác nhỏ ở chuỗi hydrocarbon gắn vào vòng D của nhân steroid. Cả hai loại vitamin D2 và D3 đều có vai trò sinh học giống nhau.   Tài liệu tham khảo Tài liệu tiếng ViệtTrịnh Văn Bảo, Phan Thị Hoan, 2002. Chất sống. Trong: Các nguyên lý sinh học; Biên

soạn bởi Trịnh Văn Bảo (chủ biên), Phan Thị Hoan, Trần Thị Thanh Hương, Trần Thị Liên, Trần Đức Phấn, Phạm Đức Phùng, Nguyễn Văn Rực, Nguyễn Thị Trang; trang 11-29. NXB Y học, Hà Nội.

69

Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng, 1999. Hóa sinh học. NXB Giáo dục, trang 62-76. Đào Kim Chi, 2004. Lipid. Trong: Hóa sinh học; biên soạn bởi Nguyễn Xuân Thắng (chủ

biên), Đào Kim Chi, Phạm Quang Tùng, Nguyễn Văn Đồng; trang 29-50. NXB Y học, Hà Nội.

Trần Thanh Lan Phương, 2005. Hóa học lipid. Trong: Hóa sinh y học; biên soạn bởi Đỗ Đình Hồ (chủ biên), Đông Thị Hoài An, Nguyễn Thị Hảo, Phạm Thị Mai, Trần Thanh Lan Phương, Đỗ Thị Thanh Thủy, Lê Xuân Trường; trang 35-61. NXB Y học, tp. Hồ Chí Minh.

Nguyễn Đình Độ, 2000. Hóa sinh lipid. Trong: Hóa sinh y học; biên soạn bởi Hoàng Quang (chủ biên), Nguyễn Đình Độ, Trương Thị Minh Đức, Bạch Vọng Hải, Phan Hải Nam, Đoàn Trọng Phụ; trang 113-146. NXB Quân đội nhân dân, Hà Nội.

Lê Thị Kim Thu, 2002. Hóa sinh lâm sàng. NXB Y học, Hà Nội.  Tài liệu tiếng ĐứcJeroch H., Drochner W., Simon, O., 1999. Ernaehrung landwirt-schaftlicher Nutztiere.

Verlag Eugen Ulmer Stuttgart, Germany.Kirchgessner M., 1997. Tiernaehrung, 10. neubearbeitete Auflage, DLG-Verlag,

Frankfurt am Main, Germany. Loeffler G., 1998. Lipide. In: Biochemie und Pathobiochemie, 6. Auflage (Loeffler G.,

Petrides P. E., Hrsg.), pp. 135-147. Springer Verlag, Berlin, Germany.Weissbach F., 1993. Wertbestimmende Bestandteile der Futtermittel. In:

Futtermittelkunde (Jeroch H., Flachowsky G., Weissbach F., Hrsg.), pp. 18-32. Gustav Fischer Verlag Jena-Stuttgart, Germany.

Tài liệu tiếng AnhMcDonald P., Edwards R. A., Greenhalgh J. F. D., Morgan C. A., 1995. Animal

Nutrition, fifth edition. Longman Scientific & Technical, New York - USA, pp. 9-27.

Nelson D. L., Cox M. M., 2005. Lehninger Principles of Biochemistry, Fourth Edition. Freeman and Company, New York, USA.

Chương 5

VITAMINĐỗ Quý Hai, Hồ Trung Thông

 5.1 Khái niệm chung5.1.1 Định nghĩa, cách gọi tên và phân loại vitamin

Vitamin là một nhóm chất hữu cơ có phân tử tương đối nhỏ và có các tính chất lý, hóa 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.

70

Danh từ vitamin bắt nguồn từ chữ "vita" có nghĩa là sự sống và chữ "amine" để nói lên sự cần thiết của amine cho sự sống.

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 cho 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 hóa học, gọi theo chức năng, tức là theo tên bệnh xảy ra khi thiếu một vitamin nào đó và thêm tiếp đầu ngữ "anti". 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-hóa 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.5.1.2. Vai trò của vitamin trong cơ thể động vật

Đối với các động vật khác nhau, nhu cầu vitamin cũng khác nhau. Không phải tất cả các động vật bậc cao đều cần thiết tất cả các vitamin như nhau.

Chính vì vậy, tùy theo chức năng sinh lý của từng loại vitamin, chúng có vai trò, tác dụng khác nhau đến sự sinh trưởng phát triển của động vật.

Các số liệu thực nghiệm cho biết, việc bổ sung vitamin B1 có thể làm tăng nhanh tốc độ sinh trưởng và phát triển của lợn con. Khi thiếu vitamin B2, khả năng đồng hóa carbohydrate và protein của gia súc bị hạn chế, gia súc chậm lớn, các trạng thái sinh lý chuyển biến xấu đi. Đối với lợn, thiếu vitamin B6 sẽ gây ra hiện tượng thiếu máu, phá huỷ sự trao đổi sắt bình thường. Đối với gia cầm, thiếu vitamin B6 sẽ gây ra hiện tượng liệt ở các mức độ khác nhau. Động vật nhai lại không đòi hỏi việc cung cấp vitamin B12. Khả năng tổng hợp vitamin B12 của khu hệ vi khuẩn sống trong dạ cỏ và trong ruột của chúng là rất lớn. Lợn và gia cầm cần lấy thêm vitamin B12 trong thức ăn. Thiếu vitamin B12 sẽ làm lợn con chậm lớn, làm thương tổn đến sự phát triển bình thường của phôi gà, làm gà con thiếu máu, chậm lớn, giảm khả năng đề kháng đối với bệnh tật. Thiếu folic acid lợn sẽ kém ăn, giảm hồng cầu, giảm hemoglobin; ở gia cầm cũng gây ra trạng thái thiếu máu. Thiếu pantothenic acid gia súc sẽ mắc bệnh viêm da, mất màu lông, rụng lông, thương tổn hệ thần kinh, hệ tiêu hóa, ... Biểu hiện sự thiếu pantothenic acid ở gà con là lông giòn và rối, mất năng lực điều hoà sự cử động, ...

Lợn trưởng thành có thể tự tổng hợp đủ lượng biotin cần thiết đối với chúng, Thiếu biotin sẽ dẫn đến viêm da, sút cân cả ở gia súc và gia cầm. Phần lớn động vật ít nhiều đều có khả năng tự tổng hợp được vitamin C, nhưng nếu được cung cấp đủ lượng vitamin này thì sẽ có ảnh hưởng tích cực đối với sự sinh trưởng và phát triển của chúng. Thiếu vitamin A sẽ làm cho lợn con chậm lớn, chậm phát triển, mắt sưng, quáng gà; làm gà vịt giảm khả năng đẻ trứng, giảm tỷ lệ nở trứng, ... Thiếu vitamin D sẽ làm cho lợn con chậm lớn, khớp xương phồng, chân co giật, phôi gà phát triển không bình thường... Việc bổ sung chế phẩm vitamin D vào thức ăn nuôi lợn, nuôi gà không những phòng trị được bệnh còi xương, mà còn ảnh hưởng rõ rệt đối với tốc độ sinh trưởng và phát triển của

71

chúng. Vitamin E có vai trò quan trọng đối với bộ máy di truyền của động vật. Thí nghiệm cho thấy thiếu vitamin E sẽ ảnh hưởng đến khả năng sinh sản ở chuột, ngăn cản sự tạo phôi, dễ sẩy thai. Thiếu vitamin K gia súc, gia cầm sẽ bị chảy máu (ở dưới da, ở hốc bụng, ở cơ), do đó dẫn đến thiếu máu. Vitamin K đặc biệt cần thiết đối với  gia cầm. Vitamin E cần thiết đối với sự sinh trưởng bình thường của động vật, nó tham gia tích cực vào quá trình đồng hóa lipid, nâng cao tính bền vững và tính đàn hồi của thành mạch máu. 5.2 Vitamin tan trong nước5.2.1 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 B1 cao nhất. Vitamin B1 được tách ra ở dạng tinh thể vào năm 1912 và người ta đã xác định được cấu trúc hóa học của nó (hình 5.1).

Vitamin B1 bền trong môi trường acid, còn trong môi trường kiềm nó rất dễ bị phân hủy 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 keto acid như pyruvic acid, oxaloacetic acid, .... Vì vậy khi thiếu vitamin B1, sự chuyển hóa các keto acid bị ngừng trệ làm cho cơ thể tích lũy một lượng lớn các keto acid làm rối loạn sự trao đổi chất và gây nên các trạng thái bệnh lý nguy hiểm.

Vitamin B1 hòa tan nhiều trong môi trường nước và chịu nhiệt khá cho nên không bị phân hủy 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. 5.2.2 Vitamin B2 (riboflavin)

Vitamin B2 là dẫn xuất của vòng isoalloxazin, thuộc nhóm flavin. Trong cơ thể, vitamin 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.

72

5.2.3 Vitamin PP (nicotinic acid, nicotinamid)Vitamin PP là nicotinic acid và amid của nó là nicotinamid. Vitamin PP là thành

phần của coenzyme NAD+, NADP+ có trong các enzyme thuộc nhóm dehydrogenase kị khí. Nó còn có tên là niacin, niacinamid hoặc vitamin B5. Vitamin PP giúp cơ thể chống lại bệnh pellagra. Khi mắc bệnh pellagra sẽ dẫn đến sưng màng nhầy dạ dày, ruột sau đó sưng ngoài da.

Vitamin PP dạng nicotinic acid bền với nhiệt, acid và cả kiềm cho nên khó bị phân huỷ, còn ở dạng nicotinamid lại kém bền với acid và kiềm. Vitamin PP không bị biến đổi khi nấu nướng cho 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 hóa khử. Vitamin PP có tác dụng ngăn ngừa bệnh ngoài da, sưng màng nhầy ruột, dạ dày.

73

5.2.4 Vitamin B6 (pyridoxin)Vitamin B6 tồn tại trong cơ thể ở 3 dạng khác nhau: pyridoxol (còn có tên là

pyridoxine), pyridoxal, pyridoxamine. Ba dạng này có thể chuyển hóa lẫn nhau. Vitamin B6 là thành phần coenzyme của nhiều enzyme xúc tác cho quá trình chuyển hóa 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, ... 5.2.5. Vitamin C (ascorbic acid)

Vitamin C là ascorbic acid. Trong cơ thể vitamin C tồn tại ở 2 dạng: dạng khử là ascorbic acid và dạng oxy hóa là dehydro ascorbic acid.

Vitamin C tham gia nhiều quá trình sinh lý quan trọng trong cơ thể:- Quá trình hydroxyl hóa 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, chảy máu lưỡi hay nội quan (bệnh scorbutus).5.2.6 Vitamin B12 (cyanocobalamin)

Vitamin B12 có cấu tạo phức tạp, trong thành phần có chứa nhóm CN, Co, amine. Thành phần chính của vitamin B12 là nhóm porphyrin. Vitamin B12 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 hóa các base nitơ (nitrogen). Thiếu B12 sẽ gây bệnh thiếu máu ác tính.

74

5.2.7 Pantothenic acid (vitamin B3)

Vitamin B3 rất phổ biến ở các đối tượng sinh vật khác nhau, do đó có tên là pantothenic acid (danh từ pantothen theo tiếng Latin là khắp nơi). Nó bao gồm hai phần là panthoic acid và β-alanin. Vitamin B3 là tiền chất của coenzyme A, thiếu nó làm viêm da. Pantothenic acid có nhiều ở nấm men, gan, các phần xanh của thực vật và được tổng hợp bởi các vi khuẩn đường ruột.

5.2.8 Biotin (vitamin H)

75

Đây là một loại monocarboxylic acid có cấu trúc vòng, trong đó vòng A là vòng imidazol và vòng B là vòng thiophen. Biotin là thành phần cấu tạo của các enzyme xúc tác cho các phản ứng carboxyl hóa. Thiếu biotin sẽ xuất hiện các triệu chứng như sưng da, rụng tóc, ...

5.2.9 Folic acid (vitamin Bc)Folic acid bao gồm cả một nhóm chất tương tự nhau về cấu trúc hóa học và tính

chất sinh học tùy thuộc vào nguồn chứa vitamin đó. Folic acid mang tên là vitamin Bc (c là chữ viết tắt của từ chicken, tiếng Anh có nghĩa là gà con) vì nó cũng cần thiết cho sự phát triển của gà con. Folic acid bao gồm ba gốc liên kết với nhau là gốc pterin, gốc paraaminobenzoic acid và gốc glutamic acid. Thiếu vitamin này cũng sẽ bị thiếu máu. Từ folic acid dễ dàng chuyển thành tetrahydrofolic acid (CoF, FH4) là coenzyme của các enzyme xúc tác cho phản ứng chuyển vị các nhóm chứa một carbon (nhưng không phải là CO2).

5.3 Vitamin tan trong chất béo5.3.1 Vitamin A (retinol)

Vitamin A có 2 dạng quan trọng là A1 và A2. Vitamin A được hình thành từ -caroten là tiền vitamin A. Từ -caroten sẽ tạo thành 2 phân tử vitamin A khi thủy phân nhờ enzyme carotenase xúc tác.

76

Vitamin A có nhiều trong dầu cá và lòng đỏ trứng. Trong thực vật có nhiều tiền vitamin A (-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.5.3.2 Vitamin D

Trong cơ thể tồn tại nhiều loại vitamin D, trong đó quan trọng nhất là dạng D2 và D3. Các vitamin D đều là dẫn xuất của các sterol. Trong cơ thể, vitamin D được tạo ra từ tiền vitamin D có sẵn dưới da nhờ tia tử ngoại của ánh sáng mặt trời.

77

Thiếu hoặc thừa vitamin D đều có ảnh hưởng đến nồng độ phosphorus và calcium 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. 5.3.3 Vitamin E (tocopherol)

Vitamin E có nhiều  dạng khác nhau. Đó là các dạng , , , , ... tocopherol. Các dạng khác nhau này được phân biệt bởi số lượng và vị trí của các nhóm methyl gắn vào vòng thơm của phân tử. Trong các dạng vitamin E, dạng -tocopherol có hoạt tính cao nhất. 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 hòa thảo, ... Vitamin E có tác dụng như chất chống oxy hóa cho nên có tác dụng bảo vệ các chất dễ bị oxy hóa trong tế bào. Vitamin E còn có vai trò quan trọng trong sinh sản.

   

78

5.3.4 Vitamin KCó nhiều loại vitamin K, chúng đều là những dẫn xuất của naphtoquinon. Hai dạng

vitamin K1 và K2 đều có mạch bên R dài, các dạng tổng hợp (vitamin K3) có cấu trúc phân tử đơn giản hơn. 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 bị giảm, máu khó đông.

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.

Ngoài các loại vitamin nói trên, trong hai nhóm vitamin tan trong nước và trong mỡ còn một số vitamin khác như vitamin P (Rutin), vitamin F, vitamin Q (Ubiquinon).

79

Tài liệu tham khảoPhạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng, 1999. Hóa sinh học. NXB Giáo dục, Hà Nội.Nguyễn Thị Hảo, 2005. Vitamin. Trong: Hóa sinh y học; biên soạn bởi Đỗ Đình Hồ (chủ

biên), Đông Thị Hoài An, Nguyễn Thị Hảo, Phạm Thị Mai, Trần Thanh Lan Phương, Đỗ Thị Thanh Thủy, Lê Xuân Trường; trang 35-61. NXB Y học, Tp. Hồ Chí Minh.

80

Loeffler G., 1998. Lipide. In: Biochemie und Pathobiochemie, 6. Auflage (Loeffler G., Petrides P. E., Hrsg.), pp. 135-147. Springer Verlag, Berlin, Germany.

McDonald P., Edwards R. A., Greenhalgh J. F. D., Morgan C. A., 1995. Animal Nutrition, fifth edition. Longman Scientific & Technical, New York - USA, pp. 9-27.

Nelson D. L., Cox M. M., 2005. Lehninger Principles of Biochemistry, Fourth Edition. Freeman and Company, New York, USA.

Chương 6

ENZYME VÀ SỰ XÚC TÁC SINH HỌC Đỗ Quý Hai

 

6.1 Enzyme - động lực của quá trình sống6.1.1 Khái niệm về enzyme

Trong các tế bào của cơ thể sống luôn luôn xảy ra quá trình trao đổi chất. Sự trao đổi chất ngừng thì sự sống không còn tồn tại. Quá trình trao đổi của một chất là tập hợp các quy luật của rất nhiều phản ứng hoá học khác nhau. Các phản ứng hoá học phức tạp này có liên quan chặt chẽ với nhau và điều chỉnh lẫn nhau. Enzyme là các hợp chất có bản chất protein xúc tác cho các phản ứng hoá học đó. Chúng có khả năng xúc tác đặc hiệu các phản ứng hóa học nhất định và đảm bảo cho các phản ứng xảy ra theo một chiều hướng nhất định với tốc độ nhịp nhàng trong cơ thể sống.

Chúng có trong tất cả các loại tế bào của cơ thể sống. Enzyme còn được gọi là chất xúc tác sinh học (biocatalysator) nhằm để phân biệt với các chất xúc tác hoá học. 6.1.2 Vài nét về quá trình phát hiện và nghiên cứu enzyme

Enzyme học được coi như cột sống của hoá sinh học cho nên phần lớn các nghiên cứu hoá sinh từ trước đến nay đều liên quan nhiều đến enzyme.

Trước thế kỷ 17 người ta đã biết sử dụng các quá trình enzyme  trong đời sống, tuy nhiên chỉ có tính chất kinh nghiệm thực tế và thông qua hoạt động của vi sinh vật. Sau thế kỷ 17 người ta đã khái quát hiện tượng lên men như là hiện tượng phổ biến trong sự sống và enzyme là yếu tố gây nên sự chuyển hoá các chất trong quá trình lên men. Đầu thế kỷ 19 đã có  những nghiên cứu ghi nhận sự có mặt của enzyme trong quá trình tiêu hoá ở nước bọt, dạ dày và ruột. Từ các khái niệm “enzyme có tổ chức” (enzyme không thể tách khỏi tế bào được) và “enzyme không có tổ chức” (enzyme có thể thực hiện tính xúc tác của chúng ngoài cơ thể) của Pasteur (1856) đến kết quả thực nghiệm của Buchner (1897) là cả một quá trình nhằm chứng minh cho sự tham gia của các enzyme vốn có trong tế bào nấm men trong việc chuyển hoá đường thành rượu. Năm 1926, Sumner kết tinh được enzyme urease lần đầu tiên. Sau đó Northrop (1930) kết tinh được pepsin, Northrop và Kunitz (1931) kết tinh được trypsin đã cho phép xác định được một cách dứt khoát bản chất của enzyme là protein và đặt nền móng cho những nghiên cứu cơ bản về enzyme.

81

6.1.3 Enzyme và công nghệ sinh học

Những thành tựu nghiên cứu cơ bản về enzyme là cơ sở để phát triển các nghiên cứu ứng dụng enzyme trong thực tế. Hiện có trên 30 ngành sản xuất khác nhau đã sử dụng tới các chế phẩm của enzyme. Con số này ngày càng tăng và số lượng enzyme ngày càng lớn. So với các chất hóa học, enzyme có những tính chất ưu việt hơn hẳn như: phản ứng xúc tác có thể diễn ra ngay ở những điều kiện bình thường về áp suất, pH và nhiệt độ. Chúng có thể tác động ở nồng độ rất thấp. Phản ứng do enzyme xúc tác là những phản ứng có tính đặc hiệu rất cao, ít sinh ra các sản phẩm phụ. Vì vậy, chúng tạo điều kiện rất thuận lợi cho việc tiến hành các quá trình sản xuất công nghiệp. Tuy nhiên, ta có thể điều chỉnh dễ dàng các chuyển hóa của enzyme. Nó có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực.

Enzyme thường được sử dụng theo 2 cách:

- Không tách enzyme khỏi nguyên liệu mà chỉ tạo điều kiện cho một số enzyme sẵn có trong nguyên liệu để chúng chuyển hóa các chất có cùng trong nguyên liệu ấy theo hướng mong muốn.

- Tách enzyme khỏi nguyên liệu ở dạng chế phẩm để sử dụng khi cần thiết. Do đó có thể tận dụng các nguồn nguyên liệu giàu enzyme để tách enzyme, dùng chế phẩm enzyme này để chế biến các nguyên liệu khác nhau hoặc sử dụng vào những mục đích khác nhau. Việc sử dụng enzyme theo cách này ngày càng phát triển đã dẫn đễn việc hình thành ngành công nghiệp enzyme ở nhiều nước, hàng năm sản xuất hàng trăm tấn chế phẩm enzyme để phục vụ cho các ngành sản xuất khác nhau và cho y học.

Như vậy, enzyme - một trong những tác nhân sinh học ở mức độ dưới tế bào, đã tham gia một cách tích cực vào các quá trình thuộc lĩnh vực công nghệ sinh học. Từ đó công nghệ enzyme đã trở thành một nhánh quan trọng của công nghệ sinh học.6.2 Tên gọi và phân loại enzyme6.2.1 Cách gọi tên enzyme

Trong thời gian đầu khi enzyme học chưa phát triển, người ta thường gọi tên enzyme một cách tùy tiện, tùy theo tác giả. Ví dụ như các tên pepsin, trypsin, chymotrypsin hiện nay vẫn được dùng gọi là tên thường dùng.

Sau đó, người ta thường gọi tên enzyme bằng cách lấy tên cơ chất đặc hiệu của enzyme cộng thêm tiếp vị ngữ “ase”. Ví dụ, urease là enzyme tác dụng lên urea, protease là enzyme tác dụng lên protein, lipase là enzyme tác dụng vào lipid, amylase là enzyme tác dụng lên tinh bột.

Đối với các nhóm enzyme cùng xúc tác một loại phản ứng, người ta lấy tên của phản ứng enzyme thêm tiếp vị ngữ “ase”, ví dụ những enzyme xúc tác sự oxy hoá được gọi là oxydase, những enzyme khử hydrogen được gọi là dehydrogenase, ...

Tên gọi đầy đủ, chính xác theo quy ước quốc tế - tên gọi hệ thống của enzyme được gọi theo tên cơ chất đặc hiệu của chúng cùng với tên của kiểu phản ứng mà chúng xúc

82

tác, cộng thêm tiếp vị ngữ “ase”, ví dụ enzyme xúc tác cho sự thủy phân urea (carbamid) có tên hệ thống là carbamid-amidohydrolase (tên thường dùng là urease).

6.2.2 Phân loại enzyme

Mục đích của việc phân loại enzyme là để nhấn mạnh một cách chính xác và tổng quát, mối quan hệ và những điều giống nhau của một loại enzyme.

Tiểu ban về enzyme (Enzyme Commission: EC) được thành lập bởi Hội Hoá sinh quốc tế (International Union of Biochemistry: IUB) đã đưa ra cách phân loại thống nhất dựa trên các loại phản ứng và cơ chế phản ứng. Theo cách phân loại này thì enzyme được chia ra làm sáu lớp lớn đánh số từ 1 đến 6. Các số thứ tự này là cố định cho mỗi lớp.

Sáu lớp enzyme theo phân loại quốc tế gồm có:

- Oxydoreductase: Các enzyme xúc tác cho phản ứng oxy hoá - khử. Trong nhóm này có tất cả các enzyme có các tên thông thường đã biết như dehydrogenase, oxydase, cytochromreductase và peroxydase. Trong các phản ứng do chúng xúc tác xảy ra sự vận chuyển hydrogen, sự chuyển electron, sự oxy hoá bởi oxy phân tử, bởi hydrogen peroxide hoặc bởi các chất oxy hoá khác.

- Transferase: Các enzyme xúc tác cho phản ứng chuyển vị. Các transferase do bản chất của những gốc mà chúng vận chuyển có thể tham gia vào các quá trình trao đổi chất rất khác nhau. Trong lớp transferase bên cạnh transaminase và methyltransferase còn có các kinase khác nhau (xúc tác chủ yếu cho sự vận chuyển của gốc phosphate từ hợp chất cao năng tới chất khác), một phần lớn các enzyme trước kia gọi là mutase và một phần vào loại synthetase, ví dụ các enzyme tổng hợp DNA và RNA.

- Hydrolase: các enzyme xúc tác cho phản ứng thuỷ phân. Trong lớp này có các enzyme phân giải ester (ví dụ lipid), glycoside, amide, peptide, protein.

- Lyase: các enzyme xúc tác cho phản ứng phân cắt không cần nước, loại nước tạo thành nối đôi hoặc kết hợp phân tử nước vào nối đôi. Thuộc vào lớp này có các enzyme được gọi là hydratase, aldolase, decarboxylase cũng như một số desaminase.

- Isomerase: Các enzyme xúc tác cho phản ứng đồng phân hoá. Tính cho đến cùng thì chúng xúc tác cho những phản ứng chuyển các nhóm khác nhau ở bên trong phân tử. Trong lớp này không những có những enzyme chuyển hoá các đồng phân hình học và đồng phân quang học (như alaninracemase) mà cả các enzyme xúc tác cho các phản ứng ví dụ sự chuyển hoá aldose thành cetose (glucose phosphate isomerase, trước kia gọi là phosphohexoisomerase) hoặc biến đổi vị trí của liên kết ester bên trong phân tử (ví dụ phosphoglucomutase)

- Ligase: Các enzyme xúc tác cho phản ứng tổng hợp có sử dụng liên kết giàu năng lượng ATP, ... Ở đây cần chú ý thêm là các enzyme phân cắt được phân loại với tên “lyase”. Nếu cân bằng chuyển dịch về phía tổng hợp thì enzyme đó cũng có thể được gọi

83

là “synthase”. Ngược lại chúng ta gọi các enzyme xúc tác cho phản ứng kết hợp 2 phân tử có sự tham gia của ATP hoặc nucleotide triphosphate tương tự hoặc có sử dụng của mối liên kết giàu năng lượng là synthetase. Tên gọi theo hệ thống phân loại của lớp này là “ligase” để tránh sự nhầm lẫn với tên “synthase” đã nói ở trên.

Mỗi lớp lại được chia thành nhiều lớp phụ và phân lớp phụ, rồi sau đó thứ tự của enzyme trong phân lớp phụ.

Như vậy, mỗi enzyme trong hệ thống được phân loại và đặt tên theo mã 4 chữ số biểu thị phản ứng xúc tác: con số đầu chỉ lớp, số thứ hai chỉ lớp phụ, số thứ ba chỉ phân lớp phụ, số thứ tư chỉ rõ số bậc thứ tự của enzyme.

Ví dụ, enzyme xúc tác cho phản ứng:

Ví dụ: Ethanol + NAD+ acetaldehyde + NADH + H+

có tên gọi là alcohol dehydrogenase (ADH) Có tên quốc tế theo khóa phân loại là:

Alcohol: NAD oxydoreductase, EC 1.1.1.1

Trong đó, mã số 1 đầu tiên biểu thị tên lớp enzyme là oxydoreductase (lớp 1); mã số 1 thứ hai biểu thị lớp phụ 1: tác dụng lên nhóm CH - OH của các chất cho; mã số 1 thứ ba biểu thị phân lớp phụ 1: chất nhận là NAD hay NADP và mã số 1 cuối cùng chỉ số thứ tự của enzyme.

Như vậy, trong cách gọi hệ thống của enzyme ADH trên có tên của cơ chất và của coenzyme cũng như tên của quá trình chuyển hoá hóa học được xúc tác với tận cùng “ase”. Sau tên của enzyme là số của nó theo danh sách các enzyme do tiểu ban về enzyme đề ra.

6.3 Cấu trúc của enzyme

Enzyme có khả năng và hiệu lực xúc tác rất lớn, có tính đặc hiệu rất cao. Để đảm bảo cho chức năng của enzyme là chất xúc tác sinh học, cấu trúc của enzyme phải rất tinh vi và phức tạp.

6.3.1 Bản chất hoá học của enzyme

Từ gần một thế kỷ trước đây, các nhà khoa học đã đổ xô vào việc xác định bản chất hoá học của enzyme. Cho đến nay, có thể nói rằng, ngoài một nhóm nhỏ phân tử RNA có hoạt tính xúc tác, tuyệt đại đa số enzyme có bản chất protein và sự thể hiện hoạt tính xúc tác phụ thuộc vào cấu trúc bậc 1, 2, 3 và 4 của phân tử protein và trạng thái tự nhiên của nó. Thực tế là bản chất hoá học của enzyme chỉ được xác định đúng đắn từ sau khi kết tinh được enzyme. Enzyme đầu tiên nhận được ở dạng tinh thể là urease của đậu tương (Sumner, 1926), tiếp theo là pepsin và trypsin (Northrop và Kunitz, 1930, 1931). Sau đó

84

những tác giả khác cũng đã kết tinh được một số enzyme khác và có đủ bằng chứng xác nhận các tinh thể protein nhận được chính là các enzyme.

Kết quả nghiên cứu tính chất hoá lý của enzyme đã cho thấy enzyme có tất cả các thuộc tính hoá học của các chất protein về hình dạng phân tử: đa số enzyme có dạng hình cầu (dạng hạt). Tỷ lệ giữa trục dài và trục ngắn của phân tử vào khoảng 1 - 2 hoặc 4 - 6.

Về khối lượng phân tử: các enzyme có khối lượng phân tử lớn, thay đổi rất rộng từ 1.2000 dalton đến 1.000.000 dalton hoặc lớn hơn. Ví dụ ribonuclease có khối lượng phân tử là 12.700, glutamate dehydrogenase có khối lượng phân tử là 1.000.000. Đa số enzyme có khối lượng phân tử từ 20.000 đến 90.000 hoặc vài trăm nghìn. Do kích thước phân tử lớn, các enzyme không đi qua được màng bán thấm. Enzyme tan trong nước, khi tan tạo thành dung dịch keo; chúng cũng tan trong dung dịch muối loãng, glycerin và các dung môi hữu cơ phân cực khác. Enzyme không bền và dễ dàng bị biến tính dưới tác dụng của nhiệt độ cao. Enzyme bị biến tính thì mất khả năng xúc tác. Mức độ giảm hooạt tính của enzyme tương ứng với mức độ biến tính của protein trong chế phẩm. Kiềm, acid mạnh, kim loại nặng cũng làm cho enzyme biến tính. Cũng như protein, enzyme cũng có tính chất lưỡng tính.

6.3.2 Thành phần cấu tạo của enzyme

Cũng như protein, enzyme có thể là protein đơn giản hoặc protein phức tạp. Trên cơ sở đó, người ta thường phân enzyme thành hai nhóm: enzyme một thành phần (enzyme một cấu tử) và enzyme hai thành phần (enzyme hai cấu tử). Trường hợp enzyme là một protein đơn giản được gọi là enzyme một thành phần. Trường hợp enzyme là một protein phức tạp nghĩa là ngoài protein đơn giản còn có một nhóm ngoại nào đó không phải protein được gọi là enzyme hai thành phần.

Phần protein của enzyme hai thành phần được gọi là apoprotein hay apoenzyme, còn phần không phải protein được gọi là nhóm ngoại hoặc coenzyme. Phần không phải protein thường là những chất hữu cơ đặc hiệu có thể gắn chặt vào phần protein hoặc chỉ liên kết lỏng lẻo với protein và có thể tách khỏi phần protein khi cho thẩm tích qua màng. Coenzyme là phần không phải protein của enzyme trong trường hợp khi chúng dễ tách khỏi phần apoenzyme khi cho thẩm tích qua màng bán thấm và có thể tồn tại độc lập. Phần không phải protein của enzyme được gọi là nhóm ngoại hay nhóm prosthetic, khi nó liên kết chặt chẽ với phần protein của enzyme bằng liên kết đồng hoá trị. Một phức hợp hoàn chỉnh gồm cả apoenzyme và coenzyme được gọi là holoenzyme. Một coenzyme khi kết hợp với các apoenzyme tạo thành các holoenzyme khác nhau xúc tác cho quá trình chuyển hoá các chất khác nhau nhưng giống nhau về kiểu phản ứng. Coenzyme trực tiếp tham gia phản ứng xúc tác, giữ vai trò quyết định kiểu phản ứng mà enzyme xúc tác và làm tăng độ bền của apoenzyme đối với các yếu tố gây biến tính. Còn apoenzyme có tác dụng nâng cao hoạt tính xúc tác của coenzyme và quyết định tính đặc hiệu của enzyme. Các coenzyme thường là các dẫn xuất của các vitamin hòa tan trong nước. Cần chú ý là sự phân biệt coenzyme và nhóm ngoại chỉ là tương đối, vì khó có thể có một tiêu chuẩn thật rành mạch để phân biệt “liên kết chặt chẽ” và “liên kết không chặt chẽ”, nhất là trong những năm gần đây, người ta đã chứng minh được rằng, nhiều

85

coenzyme cũng kết hợp vào apoenzyme của chúng bằng liên kết đồng hóa trị. Do đó, ngày nay người ta ít chú ý đến sự phân biệt coenzyme và nhóm ngoại. Ngoài ra, trong thành phần cấu tạo, rất nhiều enzyme có chứa kim loại. Thuộc loại enzyme hai thành phần gồm có hầu hết các enzyme của các lớp 1, 2, 4, 5, 6. Các enzyme thủy phân (lớp 3) thường là enzyme một thành phần có chứa ion kim loại hoặc đòi hỏi ion kim loại làm cofactor.

6.3.3 Trung tâm hoạt động của enzyme

Toàn bộ cấu trúc không gian của phân tử enzyme có vai trò quan trọng đối với hoạt tính xúc tác của enzyme. Tuy nhiên, hoạt động của enzyme liên hệ trực tiếp với một phần xác định trong phân tử enzyme. Trung tâm hoạt động của enzyme là phần của phân tử enzyme trực tiếp kết hợp với cơ chất, tham gia trực tiếp trong việc tạo thành và chuyển hóa phức chất trung gian giữa enzyme và cơ chất để tạo thành sản phẩm phản ứng. Trung tâm hoạt động bao gồm nhiều nhóm chức năng khác nhau của amino acid, phân tử nước liên kết và nhiều khi có cả cofactor (coenzyme) hữu cơ và vô cơ.

Ở các enzyme một thành phần, trung tâm hoạt động thường bao gồm một tổ hợp các nhóm chức năng của amino acid không tham gia tạo thành trục chính của sợi polypeptide. Ví dụ nhóm - SH của cysteine, - OH của serine, threonine và tyrosine, - NH2 của lysine, -COOH của glutamic acid, aspartic acid, vòng imidazol của histidine, indol của tryptophan, nhóm guanidin của arginine. Các nhóm này có thể ở xa nhau trong mạch polypeptide nhưng lại gần nhau trong không gian, được định hướng xác định trong không gian cách nhau những khoảng cách nhất định sao cho chúng có thể tương tác với nhau trong quá trình xúc tác. Ví dụ: trung tâm hoạt động của -chymotrypsin bao gồm nhóm hydroxyl của Ser - 195, imidazol của His-57 và nhóm carboxyl của Asp-102. Các gốc này ở khá xa nhau trong chuỗi polypetid nhưng giữa các nhóm chức năng của chúng chỉ cách nhau từ 2,8 - 3,0Å.

Trung tâm hoạt động của các enzyme hai thành phần thường bao gồm nhóm ngoại (vitamin, ion kim loại, ...) và các nhóm chức năng của các amino acid ở phần apoenzyme. Sự tương ứng về cấu hình không gian giữa trung tâm hoạt động và cơ chất được hình thành trong quá trình enzyme tiếp xúc với cơ chất.

Theo quan niệm của Fisher thì trung tâm hoạt động của enzyme đã được hình thành sẵn với một cấu tạo nhất định chỉ cho phép cơ chất có cấu tạo tương ứng kết hợp vào. Do đó có thể ví sự tương ứng đó như “ổ khóa với chìa khóa” (hình 6.1a).

86

Giả thuyết này tuy cũng giải thích được một số hiện tượng nhưng không giải thích thỏa đáng được nhiều kết quả thu được trong thực nghiệm. Vì vậy, Koshland đã đưa ra một giả thuyết khác hấp dẫn và tế nhị hơn. Theo thuyết này thì đặc điểm của vùng trung tâm hoạt động là rất mềm dẻo và linh hoạt, các nhóm chức năng của trung tâm hoạt động của enzyme tự do chưa ở tư thế sẵn sàng hoạt động, khi tiếp xúc với cơ chất, các nhóm chức năng ở trong phần trung tâm hoạt động của phân tử enzyme thay đổi vị trí trong không gian, tạo thành hình thể khớp với hình thể của cơ chất (hình 6.1.b). Cũng vì vậy, người ta gọi mô hình này là mô hình “tiếp xúc cảm ứng” hoặc “khớp cảm ứng”.

Giữa cơ chất và trung tâm hoạt động tạo thành nhiều tương tác yếu, do đó có thể dễ dàng bị cắt đứt trong quá trình phản ứng để giải phóng enzyme và sản phẩm phản ứng. Trung tâm hoạt động của các enzyme có cấu trúc bậc 4 có thể nằm trên một phần dưới đơn vị (subunit) hoặc bao gồm các nhóm chức năng thuộc các phần dưới đơn vị khác nhau.

6.3.4 Các dạng phân tử của enzyme

Trong cấu trúc phân tử của enzyme, tính chất tinh vi và phức tạp không chỉ giới hạn ở phạm vi từng phân tử, từ thành phần cấu tạo và các bậc cấu trúc cho đến cấu tạo của trung tâm hoạt động cùng với vai trò của các nhóm chức năng mà còn thể hiện ở tính đa dạng của các phân tử enzyme. Tính đa dạng của nhiều enzyme khác nhau đã được phát hiện ở các cơ thể sống khác nhau từ người, động vật, thực vật đến vi sinh vật. Người ta thấy rằng có những enzyme xúc tác cùng một phản ứng hóa học và có cùng tính đặc hiệu cơ chất nhưng có nguồn gốc khác nhau cho nên thể hiện nhiều tính chất khác nhau. Aldolase có nguồn gốc từ nấm men có nhiều tính chất khác với aldolase của mô động vật; pepsin, trypsin, chymotrypsin, xanthin - oxydase và lysozyme cũng có những dạng phân tử khác nhau. Nhiều enzyme tương tự nhau thu được từ cùng một loại mô nhưng của những loài khác nhau cũng có những tính chất khác biệt nhau: -amylase của dịch nước bọt và dịch tụy của người thì giống nhau, nhưng chúng khác với -amylase thu được từ tụy lợn về độ hòa tan, về pH thích hợp và một số tính chất khác. Những enzyme có nguồn gốc từ những mô khác nhau của cùng một loài, tuy xúc tác cùng một loại phản ứng hóa

87

học, nhưng khác nhau rất rõ rệt về tính đặc hiệu cơ chất như trường hợp của những cholinesterase. Những enzyme xúc tác những phản ứng chuyển hóa giống nhau trong các tế bào của nhiều mô khác nhau có tính chất đặc hiệu cơ quan, ví dụ lactate dehydrogenase của cơ tim và cơ xương khác nhau rõ rệt về tốc độ di chuyển điện di và nhiều tính chất khác. Ngay trong một mô hay một cơ quan, cũng tồn tại những dạng phân tử khác nhau: trong cơ tim ít nhất cũng có hai dạng phân tử của lactate dehydrogenase có tốc độ di chuyển điện di khác nhau, từ nấm men có thể tách ra được bốn dạng phân tử của phosphoglyceraldehyde dehydrogenase. Trong một tế bào, một enzyme nào đó cũng có thể có những dạng phân tử khác nhau tồn tại trong các bộ phần khác nhau của tế bào, ví dụ aspartate aminotransferase có dạng phân tử trong ti thể khác với dạng phân tử của enzyme này ở bào tương.

Như vậy, tính đa dạng của các phân tử enzyme có thể thể hiện ở nhiều mức độ, từ các loài khác nhau đến các mô hay cơ quan khác nhau của cùng một cơ thể và ngay cả các bộ phận khác nhau của cùng một tế bào. Các dạng phân tử khác nhau của cùng một enzyme, tuy cùng có chức năng xúc tác một phản ứng hóa học giống nhau nhưng vì cấu trúc phân tử của chúng đều ít nhiều có khác nhau do đó chúng có những tính chất khác nhau về hóa học, vật lý, miễn dịch, ... thậm chí ngay cả động học và tính đặc hiệu của phản ứng enzyme.

Theo kiến nghị chính thức của Ủy ban thường trực về enzyme của Hội Hóa sinh Quốc tế, danh từ isoenzyme được dùng để chỉ những dạng phân tử khác nhau của một enzyme tồn tại trong một loài; ngoài danh từ này, danh từ isozyme cũng được quen dùng.

Theo một số tác giả, khi phân loại các dạng phân tử khác nhau của enzyme, phải phân biệt giữa isoenzyme và heteroenzyme. Danh từ isoenzyme chỉ dành cho những dạng phân tử của một enzyme có nguồn gốc từ cùng một cơ quan và mô cũng như phải có cùng hoạt động xúc tác như nhau; danh từ heteroenzyme dành cho những dạng phân tử cùng có hoạt động xúc tác giống nhau nhưng có thể có nguồn gốc từ các cơ quan hoặc loài khác nhau.

Trong các isoenzyme đã trình bày, các isoenzyme lactate dehydrogenase được nghiên cứu đặc điệt kỹ do chúng có ý nghĩa về mặt chẩn đoán bệnh. Chúng có 5 dạng phân tử tetrame có thể phân chia được riêng rẽ bằng điện di thành các cấu tử rất khác nhau.

6.3.5 Phức hợp multienzyme

Trong cơ thể sống, ngoài các enzyme polymer - những enzyme có cấu trúc bậc bốn, do nhiều đơn vị nhỏ cấu tạo nên; còn tồn tại hệ thống nhiều enzyme hay còn gọi là hệ thống multienzyme. Đó là những hệ thống gồm các enzyme có liên quan với nhau, xúc tác cho dây chuyền phản ứng của một quá trình trao đổi chất xác định, trong đó sản phẩm của phản ứng do enzyme trước xúc tác là cơ chất của enzyme xúc tác cho phản ứng tiếp theo.

E1

88

E2

E3

Có thể minh họa hệ thống gồm 3 enzyme E1, E2, E3 xúc tác cho dây chuyền phản ứng như sau:

 

  A   B    C D

Trong sơ đồ này, A là cơ chất của E1, B là sản phẩm của phản ứng do E1 xúc tác nhưng lại là cơ chất của E2, ... Các hệ thống nhiều enzyme trong tế bào có mức độ tổ chức phức tạp khác nhau. Các enzyme trong hệ thống nhiều enzyme có thể tồn tại riêng rẽ ở dạng hòa tan, không liên kết với nhau hoặc có thể kết tụ với nhau, liên kết với nhau khá bền tạo thành phức hợp nhiều enzyme khi tách riêng khỏi phức hợp enzyme, sẽ mất hoạt tính xúc tác. Ngoài ra, một số hệ thống enzyme có thể liên kết với thành phần cấu tạo của tế bào như màng ribosome. Các enzyme của chuỗi hô hấp xúc tác cho quá trình chuyển điện tử từ cơ chất đến oxy, được gắn chặt vào màng trong của ti thể và thực chất là một phần cấu trúc của ti thể. Người ta đã gặp các phức hợp multienzyme trong nhiều quá trình chuyển hóa: quá trình khử carboxyl oxy-hóa của pyruvic acid tạo thành acetyl coenzyme A, quá trình tổng hợp acid béo ngoài ti thể ở nấm men, các loài có vú, loài chim, ..., quá trình tổng hợp những peptide có hoạt tính kháng sinh như gramicidin và tyrocidin, quá trình tổng hợp tryptophan, ...

6.3.6 Enzyme dị lập thể

Enzyme dị lập thể (allosteric enzyme) có tên gọi từ tiếng Hilạp allos có nghĩa là khác và stereos có nghĩa lập thể, không gian. Đó là những enzyme có tác dụng điều chỉnh đặc hiệu trên những vị trí then chốt của mạng lưới chuyển hóa, đặc biệt là những quá trình sinh tổng hợp. Trong phân tử của enzyme dị lập thể, ngoài trung tâm hoạt động làm chức năng xúc tác, còn có một số vị trí khác có thể tương tác với các chất khác gọi là trung tâm allosteric (trung tâm điều hòa, trung tâm dị lập thể, trung tâm dị không gian). Các chất kết hợp vào các trung tâm này gọi là các chất điều hòa allosteric (chất điều hòa dị lập thể). Enzyme dị lập thể thay đổi hoạt độ xúc tác thông qua sự thay đổi cấu hình không gian của phân tử enzyme, của trung tâm hoạt động khi gắn với các chất điều hòa dị lập thể. Nếu làm tăng hoạt độ gọi là chất điều hòa dương; nếu làm giảm hoạt độ gọi là các chất điều hòa âm. Các chất điều hòa này kết hợp với enzyme nhưng không bị chuyển hóa dưới tác dụng của enzyme mà nó kết hợp.

Enzyme dị lập thể thường là những enzyme có cấu trúc bậc bốn, do các đơn vị nhỏ cấu tạo nên; trong phân tử thường có 2 hay một số trung tâm hoạt động, có thể kết hợp với 2 hay một số phân tử cơ chất. Cơ chất có thể thực hiện chức năng của chất điều hòa - điều hòa homotropic (đồng hợp, đồng hướng). Các chất điều hòa có cấu trúc khác cơ chất - điều hòa heterotropic (dị hợp, dị hướng). Tuy nhiên phần lớn các enzyme dị lập thể

89

thuộc kiểu hỗn hợp đồng và dị hợp nghĩa là hoạt động của chúng có thể được điều hòa nhờ cơ chất và các chất trao đổi khác.

6.3.7 Tiền chất của enzyme (proenzyme, zymogen)

Phần lớn các enzyme được tổng hợp trong cơ thể thành những phân tử enzyme có hoạt tính, nhưng có những enzyme như các protease của tuyến tụy, dạ dày cũng như các protease xúc tác cho quá trình đông máu thường được tổng hợp nên qua một dạng trung gian chưa có hoạt tính xúc tác gọi là zymogen hoặc proenzyme. Đó là những tiền chất để tạo thành enzyme, chứ không phải là enzyme thực sự. Những chất này không có hoạt tính, phải trải qua một quá trình biến đổi, sắp xếp lại cấu trúc phân tử mới trở thành enzyme hoạt động được. Quá trình chuyển hóa proenzyme thành enzyme có hoạt tính gọi là quá trình hoạt hóa, được thực hiện nhờ sự tự xúc tác hoặc do các enzyme khác xúc tác. Quá trình hoạt hóa zymogen có một số đặc điểm chung như sau:

- Là quá trình thủy phân có giới hạn protein (limited proteolysis), cắt đứt một số liên kết peptide ở gần đầu N của phân tử zymogen. Đoạn peptid được tạo thành có thể bị loại ra hoặc vẫn gắn với phần còn lại của phân tử nhờ các cầu disulfide.

- Khi liên kết peptid bị cắt đứt thường làm thay đổi cấu hình không gian của phân tử theo hướng có lợi cho hoạt động xúc tác, tạo thành phân tử enzyme.

- Hiệu suất hoạt hóa zymogen phụ thuộc vào điều kiện hoạt hóa, nồng độ zymogen, bản chất và nồng độ của enzyme xúc tác cho quá trình hoạt hóa, nhiệt độ, pH và một số yếu tố khác.

Ở người và nhiều loài động vật có vú, các enzyme thủy phân protein (protease) trong ống tiêu hóa đều được tổng hợp ở dưới dạng tiền chất của enzyme. Ví dụ pepsinogen do những tế bào chính của tuyến dạ dày tổng hợp nên và là tiền chất của pepsin, chymotrysinogen và trypsinogen của tuyến tụy theo thứ tự là tiền chất của chymotrysin và trypsin. Các chất này đều chỉ được hoạt hóa thành dạng enzyme hoạt động sau khi đã tiết vào lòng ống tiêu hóa. Trypsinogen được hoạt hóa thành trypsin dưới tác dụng của chính trypsin hoặc enterokinase, còn chymotrypsinogen được hoạt hóa dưới tác dụng của trypsin và chymotrysin.

Hiện tượng tổng hợp ra các zymogen có một ý nghĩa sinh học quan trọng. Có thể nói rằng, các protease trong ống tiêu hóa được tổng hợp qua giai đoạn trung gian như vậy chính là một cơ chế tự bảo vệ của cơ thể. Vì nếu không như vậy thì chính các tuyến đã tổng hợp nên các loại enzyme này sẽ bị tiêu hủy bởi chính những enzyme do chúng tổng hợp nên.

6.4 Cơ chế xúc tác của enzyme

6.4.1 Cơ chế của phản ứng có xúc tác nói chung

90

Vận tốc phản ứng hóa học được xác định bởi giá trị năng lượng hoạt hóa tức là mức năng lượng của các chất tham gia phản ứng phải đạt được để cắt đứt liên kết cần thiết và hình thành các liên kết mới. Năng lượng hoạt hóa càng lớn thì vận tốc phản ứng càng chậm và ngược lại. Do làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng, các chất xúc tác có tác dụng thúc đẩy vận tốc phản ứng hóa học.

Ví dụ, bột platin là một chất xúc tác hóa học được sử dụng rộng rãi. Vì các chất tham gia phản ứng trên bề mặt platin đều được chuyển sang trạng thái có khả năng phản ứng cao hơn, do vậy năng lượng hoạt hóa sẽ nhỏ hơn và tốc độ phản ứng sẽ cao hơn. Như vậy, trong các phản ứng có xúc tác, chất xúc tác đã làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng hóa học, có nghĩa là nó chỉ tham gia vào các phản ứng trung gian mà không đóng vai trò là chất tham gia phản ứng. Sau phản ứng, chất xúc tác lại phục hồi về trạng thái ban đầu để tiếp tục xúc tác.

6.4.2 Cơ chế của sự xúc tác do enzyme

Hầu như tất cả các biến đổi hóa sinh trong tế bào và cơ thể sống đều được xúc tác bởi enzyme ở pH trung tính, nhiệt độ và áp suất bình thường, trong khi đa số các chất xúc tác hóa học khác lại chỉ xúc tác ở nhiệt độ và áp suất cao. Chính nhờ việc tạo được môi trường đặc hiệu (bởi trung tâm hoạt động của enzyme liên kết với cơ chất) có lợi nhất về mật độ năng lượng để thực hiện phản ứng mà enzyme có được những khả năng đặc biệt đã nêu trên.

Trong phản ứng có enzyme xúc tác, nhờ sự tạo thành phức hợp trung gian enzyme-cơ chất mà cơ chất được hoạt hóa. Khi cơ chất kết hợp vào enzyme, do kết quả của sự cực hóa, sự chuyển dịch của các electron và sự biến dạng của các liên kết tham gia trực tiếp vào phản ứng sẽ dẫn tới việc thay đổi động năng cũng như thế năng, kết quả là làm cho phân tử cơ chất trở nên hoạt động hơn, nhờ đó phản ứng được thực hiện dễ dàng hơn.

Năng lượng hoạt hóa khi có sự xúc tác của enzyme không những nhỏ hơn rất nhiều so với trường hợp không có xúc tác mà cũng nhỏ hơn so với cả trường hợp có chất xúc tác thông thường. Ví dụ trong phản ứng phân hủy H2O2 thành H2O và O2 nếu không có chất xúc tác thì năng lượng hoạt hóa là 18 Kcal/mol, nếu có chất xúc tác là platin thì năng lượng hoạt hóa là 11,7 Kcal/mol, còn nếu có enzyme catalase xúc tác thì năng lượng hoạt hóa chỉ còn 5,5 Kcal/mol.

Nhiều dẫn liệu thực nghiệm cho thấy quá trình tạo thành phức hợp enzyme-cơ chất và sự biến đổi phức hợp này thành sản phẩm, giải phóng enzyme tự do thường trải qua ba giai đoạn theo sơ đồ sau:

E + S ES P + E

[Trong đó E là enzyme, S là cơ chất (substrate), ES là phức hợp enzyme-cơ chất, P là sản phẩm (product)]

91

- Giai đoạn thứ nhất: enzyme kết hợp với cơ chất bằng liên kết yếu tạo thành phức hợp enzyme-cơ chất (ES) không bền, phản ứng này xảy ra rất nhanh và đòi hỏi năng lượng hoạt hóa thấp.

- Giai đoạn thứ hai: xảy ra sự biến đổi cơ chất dẫn tới sự kéo căng và phá vỡ các liên kết đồng hóa trị tham gia phản ứng.

- Giai đoạn thứ ba: tạo thành sản phẩm, còn enzyme được giải phóng ra dưới dạng tự do.

Các loại liên kết chủ yếu được tạo thành giữa E và S trong phức hợp ES là: tương tác tĩnh điện, liên kết hydrogen, tương tác Van der Waals. Mỗi loại liên kết đòi hỏi những điều kiện khác nhau và chịu ảnh hưởng khác nhau khi có nước.

Với phương pháp nghiên cứu bằng tia X và phương pháp hóa học người ta đã làm sáng tỏ cách thức gắn cơ chất và cơ chế hoạt động của một số enzyme như lysozyme, chymotrypsin, carboxypeptidase A, ... Sau đây sẽ giới thiệu chi tiết hơn cơ chế phản ứng của carboxypeptidase A.

Carboxypeptidase A (EC 3.4.17.1) thuộc nhóm peptidhydrolase, xúc tác cho sự thủy phân liên kết peptide, phản ứng xảy ra với vận tốc lớn nếu amino acid đầu C là amino acid thơm. Enzyme này cũng thủy phân liên kết ester. Carboxypeptidase A có khối lượng phân tử 34,3. KDa chứa 1 mol Zn/1 mol E. Zn tham gia trong hoạt động xúc tác của enzyme. Khi thay thế Zn bằng các kim loại hóa trị hai khác sẽ làm thay đổi hoạt độ và có thể cả tính đặc hiệu của enzyme. Trong phân tử enzyme, Zn ở gần bề mặt phân tử, tương tác với gốc His - 69, His - 196 và Glu - 72. Các gốc amino acid có vai trò xúc tác trong trung tâm hoạt động của enzyme là: Arg-145, Tyr-248 và Glu-270. Cơ chế phản ứng xúc tác của Carboxypeptidase A được xác định trên cơ sở kết quả nghiên cứu phản ứng của nó với dipeptid glycyltyrosine. Quá trình phân giải liên kết peptid có thể được phân thành các bước sau:

- Tạo thành phức ES: Khi tiếp xúc với cơ chất, các nhóm trong trung tâm hoạt động của enzyme thay đổi vị trí trong không gian. Nhóm guanidin của Arg-145 cũng như nhóm carboxyl của Glu-270 dịch chuyển 2Å, nhóm hydroxyl của Tyr-248 dịch chuyển 12Å từ chỗ gần trên bề mặt phân tử chuyền vào trong đến vùng gần với liên kết peptid của cơ chất.

Tương tác giữa các nhóm chức của trung tâm hoạt động với glycyltyrosine như sau (hình 6.2):

- Nhóm carboxyl tự do của cơ chất kết hợp với nhóm tích điện dương của Arg-145 của enzyme qua liên kết ion.

- Nhóm NH trong liên kết peptide của cơ chất tạo thành liên kết hydrogen với nhóm -OH của Tyr-248.

92

- Oxy trong nhóm -CO- của liên kết peptide tương tác với Zn, còn carbon trong nhóm -CO- này tương tác với nhóm carboxyl của Glu-270 qua phân tử nước.

- Cắt đứt liên kết và giải phóng sản phẩm.

Nguyên tử Zn phân cực liên kết -CO, tăng tính ái điện tử của nguyên tử carbon, do đó làm tăng tương tác của nó với nước hoặc với nhóm ái nhân của phân tử protein enzyme.

Gốc Glu-270 hoạt hóa phân tử nước, nhóm -OH được tạo thành tấn công trực tiếp vào nguyên tử cacbon của -CO- (trong liên kết peptide của cơ chất), liên kết peptide bị kéo căng ra và bị đứt. Gốc Tyr-248 nhường hydrogen cho nhóm -NH trong liên kết peptide cho cơ chất, giải phóng sản phẩm đầu tiên là tyrosine của cơ chất và acyl-enzyme (hình 6.3). Sau khi liên kết peptide bị cắt đứt, trạng thái ion hóa của các nhóm acid và base bị biến đổi tương ứng với pH môi trường, Tyr-248 kết hợp với proton, trở về trạng thái ban đầu.

6.5 Tính đặc hiệu của enzyme

6.5.1 Khái niệm chung

Do cấu trúc lý hóa đặc biệt của phân tử enzyme và đặc biệt là của trung tâm hoạt động mà enzyme có tính đặc hiệu rất cao so với những chất xúc tác thông thường khác. Mỗi enzyme chỉ có khả năng xúc tác cho sự chuyển hóa một hay một số chất nhất định theo một kiểu phản ứng nhất định. Đặc tính tác dụng lựa chọn cao này gọi là tính đặc hiệu hoặc tính chuyên hóa của enzyme. Tính đặc hiệu là một trong những đặc tính cơ bản quan trọng nhất của enzyme.

6.5.2 Các hình thức đặc hiệu

Có thể phân biệt hai kiểu đặc hiệu: kiểu phản ứng và cơ chất.

93

6.5.2.1 Đặc hiệu kiểu phản ứng

Trong đa số trường hợp, mỗi enzyme đều có tính đặc hiệu với một loại phản ứng nhất định. Những chất có khả năng xảy ra nhiều loại phản ứng hóa học thì mỗi loại phản ứng ấy phải do một enzyme đặc hiệu xúc tác. Ví dụ, amino acid có khả năng xảy ra phản ứng khử carboxyl hóa (decarboxylation), phản ứng khử amin hóa bằng cách oxy hóa và phản ứng vận chuyển nhóm amin, vì vậy mỗi phản ứng này cần có một enzyme đặc hiệu tương ứng xúc tác theo thứ tự là decarboxylase, amino acid oxydase và aminotransferase.

6.5.2.2 Đặc hiệu cơ chất

Mỗi enzyme chỉ xúc tác cho sự chuyển hóa một hoặc một số chất nhất định. Mức độ đặc hiệu cơ chất của các enzyme khác nhau không giống nhau, người ta thường phân biệt thành các mức như sau:

- Đặc hiệu tuyệt đối

Một số enzyme hầu như chỉ xúc tác cho phản ứng chuyển hóa một cơ chất xác định và chỉ xúc tác cho phản ứng ấy mà thôi.

Ví dụ: urease, arginase, glucoseoxydase, ... Đối với các enzyme này, ngoài các cơ chất đặc hiệu của chúng là urea, arginine, -D-glucose (theo thứ tự tương ứng) chúng cũng có thể phân giải một vài chất khác nhưng với vận tốc thấp hơn nhiều. Chẳng hạn như urease, ngoài urea nó còn có thể phân giải hydroxyurea nhưng với tốc độ thấp hơn 120 lần. Những enzyme có tính đặc hiệu tuyệt đối thường được dùng để định lượng chính xác cơ chất của nó.

- Đặc hiệu nhóm tuyệt đối

Các enzyme này chỉ tác dụng lên những chất có cùng một kiểu cấu trúc phân tử, một kiểu liên kết và có những yêu cầu xác định đối với nhóm nguyên tử ở phần liên kết chịu tác dụng. Ví dụ: maltase thuộc nhóm -glucosidase chỉ xúc tác cho phản ứng thủy phân liên kết glucoside được tạo thành từ nhóm -OH glucoside của -glucose với nhóm -OH của một monose khác.

- Đặc hiệu nhóm tương đối

Mức độ đặc hiệu của các enzyme thuộc nhóm này kém hơn nhóm trên. Enzyme có khả năng tác dụng lên một kiểu liên kết hóa học nhất định trong phân tử cơ chất mà không phụ thuộc vào cấu tạo của các phần tham gia tạo thành mối liên kết đó. Ví dụ lipase có khả năng thủy phân được tất cả các mối liên kết ester. Aminopeptidase có thể xúc tác cho sự thủy phân nhiều peptide.

- Đặc hiệu quang học (đặc hiệu lập thể)

94

Hầu như tất cả các enzyme đều có tính đặc hiệu không gian rất chặt chẽ, nghĩa là enzyme chỉ tác dụng với một trong hai dạng đồng phân không gian của cơ chất. Enzyme chỉ tác dụng với một trong hai dạng đồng phân quang học của các chất. Ví dụ, phản ứng khử nước của malic acid để tạo thành fumaric acid dưới tác dụng của fumarate hydratase chỉ xảy ra đối với L-malic acid mà không tác dụng lên D-malic acid.

Enzyme cũng thể hiện tính đặc hiệu lên một dạng đồng phân hình học cis hoặc trans. Ví dụ: enzyme fumarate hydratase chỉ tác dụng lên dạng trans của fumaric acid mà không tác dụng lên dạng cis để tạo thành L-malic acid. Trong tự nhiên cũng có các enzyme xúc tác cho phản ứng chuyển hóa tương hổ giữa các cặp đồng phân không gian tương ứng. Ví dụ, lactate racemase của vi khuẩn xúc tác cho phản ứng chuyển hóa lẫn nhau giữa D- và L-lactic acid, aldo-1-epimerase xúc tác cho phản ứng đồng phân hóa -D-glucose thành -D-glucose, maleinate cis-trans isomerase của vi khuẩn xúc tác cho phản ứng đồng phân hóa giữa maleic acid (dạng cis) và fumaric acid (dạng trans), ... Các enzyme này có vai trò quan trọng khi sản xuất các chất dinh dưỡng bằng phương pháp hóa học, vì chúng có thể chuyển các chất từ dạng cơ thể không thể sử dụng được thành dạng có thể hấp thu.

Enzyme còn có khả năng phân biệt được 2 gốc đối xứng trong phân tử giống nhau hoàn toàn về mặt hóa học. Ví dụ, hai nhóm -CH2OH trong phân tử glycerol, glycerophosphate kinase xúc tác cho phản ứng chuyển vị gốc phosphate từ ATP đến C3 của glycerol (chứ không phải C1).

6.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc phản ứng enzyme

Phản ứng do enzyme xúc tác phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: nồng độ enzyme, bản chất và nồng độ các chất phản ứng (cơ chất), nhiệt độ, pH của môi trường, các ion kim loại, các chất vô cơ và hữu cơ khác, ... Điều đáng lưu ý là các yếu tố hóa lý không chỉ ảnh hưởng đến phản ứng enzyme theo kiểu giống như các phản ứng hóa học thông thường mà còn ảnh hưởng đến vận tốc phản ứng thông qua tác dụng của chúng đối với cấu trúc phân tử enzyme.

6.6.1 Nồng độ enzyme

Nói chung trong điều kiện thừa cơ chất, vận tốc phản ứng phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ enzyme, v = k[E]

Trong đó: v là vận tốc phản ứng; [E] là nồng độ enzyme.

Cũng có trường hợp khi nồng độ enzyme quá lớn, vận tốc phản ứng tăng chậm.

6.6.2 Nồng độ cơ chất, mô hình Michaelis - Menten

Năm 1913, L. Michaelis và M. Menten đã đưa ra mô hình để giải thích tính chất động học của phản ứng enzyme và đã lập được phương trình biểu diễn mối quan hệ vận tốc phản ứng (v) với nồng độ cơ chất của enzyme.

95

Đặc điểm quan trọng nhất của mô hình này là: mở đầu phản ứng cần thiết phải tạo thành phức trung gian enzyme - cơ chất (ES). Sau đó phức ES chuyển hóa tiếp tạo thành sản phẩm cuối cùng của phản ứng và enzyme tự do, enzyme lại kết hợp với phân tử cơ chất khác bắt đầu vòng xúc tác mới.

Trường hợp đơn giản nhất, phản ứng chỉ có một cơ chất S, enzyme (E) xúc tác cho sự chuyển hóa nó chỉ tạo thành một sản phẩm P, phản ứng xảy ra như sau:

K3

Trong đó: k1, k2, k3 là các hằng số vận tốc các phản ứng tương ứng v1, v2, v3. Vận tốc phản ứng chuyển hóa phức ES tạo thành sản phẩm và enzyme quyết định vận tốc xúc tác phản ứng chuyển S P. Vận tốc phản ứng tỷ lệ với nồng độ của phức ES, nồng độ ES càng cao, vận tốc phản ứng càng lớn.

Ký hiệu [E0] là nồng độ enzyme ban đầu, [ES] nồng độ phức trung gian enzyme-cơ

chất và [E] là nồng độ enzyme tự do khi phản ứng đạt đến cân bằng. Do đó [E] = [ ] - [ES] . [S] là nồng độ cơ chất ban đầu và cũng được xem là nồng độ cơ chất lúc phản ứng đạt đến cân bằng vì nồng độ cơ chất trong phản ứng luôn lớn gấp nhiều lần nồng độ enzyme do đó có thể bỏ qua lượng [S] ở trong phức ES. Hơn nữa, khi nghiên cứu động học phản ứng enzyme thường xác định vận tốc ban đầu, lượng cơ chất bị chuyển hóa chưa đáng kể so với nồng độ ban đầu của nó.

Từ phương trình phản ứng (1) có thể thiết lập các phương trình vận tốc phản ứng như sau:

- Vận tốc phản ứng tạo thành ES là:

k1 ([E0] - [ES]) [S]  (2)

- Vận tốc phân li phức ES là tổng vận tốc của 2 phản ứng:

+ Phản ứng phân li để tạo thành E và S (ngược với phản ứng kết hợp)

+ Phản ứng biến đổi thành P và E

Do đó vận tốc phân li phức ES là bằng: (k2 + k3)[ES] (3). Khi hệ thống phản ứng đạt đến cân bằng, vận tốc tạo thành ES bằng vận tốc phân li ES:

96

k1 ([E0] - [ES]). [S] = (k2 + k3) [ES]  (4)

Để đơn giản hơn, dùng hằng số 

và sắp xếp lại các số hạng trong phương trình (4) sẽ có:

Như trên đã nói, ES càng lớn vận tốc phản ứng càng lớn. Khi nồng độ cơ chất đủ lớn, tất cả các phân tử enzyme có trong phản ứng đều tham gia trong phức ES, vận tốc phản ứng sẽ đạt đến cực đại (V). Do đó có thể thiết lập tỉ lệ sau:

 (6)

Tính  từ phương trình (5) và thay vào (6) sẽ có:

 (7)

Đây là phương trình Michaelis-Menten đã được Holden và Briggx hoàn thiện. Km được gọi là hằng số Michaelis. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng nồng độ cơ chất đến vận tốc phản ứng (theo phương trình (7)), trong đó v là hàm số của [S] có dạng của nhánh hyperbol vuông góc.

Để xác định Km cũng như V có thể dựa vào đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa vận tốc phản ứng với nồng độ cơ chất: thay đổi nồng độ cơ chất, với mỗi nồng độ cơ chất xác định vận tốc ban đầu của phản ứng. Theo cách biến diễn ở phương trình (7), cần tiến hành khá nhiều thí nghiệm mới vẽ được chính xác. Vì vậy người ta cải biến phương trình này thành dạng có đường biểu diễn thẳng. Cách đơn giản nhất là lấy số nghịch đảo của cả 2 vế trong phương trình (7) (Lineaweaver và Burk, 1934), do đó sẽ có phương trình sau:

 (8)                 

97

Phương trình (8) có dạng Y - ax + b, đường biểu diễn của nó là thẳng, cắt trục tung

ở điểm và cắt trục hoành ở điểm . Theo cách này, chỉ cần tiến hành thí nghiệm với ba, bốn nồng độ cơ chất đã có thể vẽ được đồ thị khá chính xác và xác định được các trị số Km và V. Điều quan trọng cần nhấn mạnh là khi nghiên cứu động học phản ứng  enzyme cần xác định vận tốc ban đầu của phản ứng, sử dụng chế phẩm enzyme tinh khiết. Ngoài ra, nồng độ cơ chất cũng không nên quá lớn vì nó có thể làm giảm vận tốc phản ứng enzyme.

Đối với các enzyme allosteric, đường biểu diễn sự phụ thuộc của v vào [S] không có dạng hyperbol. Trong nhiều trường hợp, đường biểu diễn quan hệ giữa vận tốc ban đầu của phản ứng với nồng độ cơ chất có dạng gần như chữ “S” (dạng sigmoid). Điều đó có nghĩa là khi phân tử cơ chất đầu tiên kết hợp vào một trung tâm hoạt động của enzyme đã làm tăng nhanh việc kết hợp các phân tử cơ chất tiếp theo vào các trung tâm hoạt động khác trong phân tử enzyme. Điều này cũng giống như khi một phân tử O2 kết hợp vào Hb đã làm tăng nhanh sự tương tác của các phân tử O2 tiếp theo. Đường biểu diễn có dạng chữ “S” cũng cho thấy chỉ cần nồng độ cơ chất tăng lên rất nhỏ cũng có thể làm tăng vận tốc xúc tác nhiều lần lớn hơn so với các enzyme tuân theo phương trình Michaelis - Menten.

6.6.3 Ảnh hưởng của các chất kìm hãm

Hoạt độ của enzyme có thể bị thay đổi dưới tác dụng của một số chất có bản chất hóa học khác nhau. Các chất làm giảm hoạt độ enzyme gọi là các chất kìm hãm hoặc các chất ức chế (inhibitor), thường kí hiệu là I. Các chất này có thể là những ion, các phân tử

98

vô vơ, hữu cơ kể cả các protein. Các chất ức chế tham gia trong sự điều hòa, kiểm tra các quá trình trao đổi chất trong hệ thống sống.

          (9)

Các chất gây biến tính protein đều là những chất kìm hãm không đặc hiệu enzyme. Nhiều chất khác không làm biến tính protein nhưng vẫn làm giảm hoạt độ xúc tác của nó theo cơ chế khác. Các chất này có thể kìm hãm thuận nghịch hoặc không thuận nghịch enzyme. Nếu là kìm hãm thuận nghịch, phản ứng kết hợp giữa enzyme và chất kìm hãm (I) nhanh chóng đạt đến cân bằng. Trong trường hợp kìm hãm không thuận nghịch, K-i rất bé, có thể xem như bằng 0. I kết hợp với E bằng liên kết đồng hóa trị hoặc kết hợp rất chặt đến mức khó lòng tách khỏi E, sự phân li phức EI rất chậm.

- Các chất kìm hãm cạnh tranh

Các chất kìm hãm cạnh tranh là những chất kìm hãm thuận nghịch enzyme, có cấu trúc tương tự với cấu trúc của cơ chất, do đó có khả năng kết hợp vào trung tâm hoạt động của E chiếm chỗ kết hợp của cơ chất. Sự kết hợp của I và S vào trung tâm hoạt động của enzyme có tính chất loại trừ lẫn nhau. Như vậy, I cạnh tranh làm giảm vận tốc phản ứng xúc tác là do làm giảm số lượng phân tử enzyme có khả năng kết hợp với cơ chất. Ví dụ, chất kìm hãm cạnh tranh của succinate dehydrogenase là malonic acid (HOOC-CH2-COOH), có cấu tạo khá giống với cơ chất của enzyme là succinic acid (HOOC-CH2-CH2-COOH). Do chỗ I và S có khuynh hướng đầy nhau ra khỏi phức với enzyme cho nên nếu nồng độ cơ chất rất lớn so với nồng độ chất kìm hãm, có thể loại trừ hoàn toàn tác dụng kìm hãm của nó.

Trong trường hợp đơn giản nhất (phương trình phản ứng (1)), khi có chất kìm hãm cạnh tranh, có các phản ứng xảy ra như sau:

E + S      ES E + P

E + I       EI

Như trên đã nói, chất kìm hãm cạnh tranh cũng kết hợp vào trung tâm hoạt động của enzyme, nhưng khác với cơ chất ở chỗ bản thân chất kìm hãm không bị chuyển hóa dưới tác dụng của enzyme.

99

Chất kìm hãm này kết hợp với enzyme ở chỗ khác với trung tâm hoạt động (hình 6.5) làm thay đổi cấu trúc không gian của phân tử enzyme, do đó theo hướng không có lợi cho hoạt độ xúc tác của nó làm giảm vận tốc phản ứng xúc tác. Sau khi kết hợp với chất kìm hãm không cạnh tranh, enzyme vẫn có thể kết hợp với cơ chất tạo thành phức EIS. Có thể viết phương trình phản ứng (1) khi có chất kìm hãm không cạnh tranh như sau:

E + S    ES E + P

E + I  EI

EI + S   EIS

Khi có chất kìm hãm không cạnh tranh vận tốc cực đại bị giảm dần trong khi đó Km không thay đổi, vận tốc phản ứng bị giảm tương ứng. Dưới tác dụng của chất kìm hãm không cạnh tranh, mức độ kìm hãm không phụ thuộc vào tương quan nồng độ giữa S và I, nồng độ cơ chất lớn cũng không loại trừ được tác dụng kìm hãm. Trong một số trường hợp sản phẩm phản ứng có thể tác dụng như chất kìm hãm không cạnh tranh của enzyme. Ngoài ra cũng có trường hợp chất kìm hãm chỉ kết hợp với ES mà không kết hợp với E tự do, trong trường hợp này cả V và Km đều bị giảm dần, do đó độ dốc của đường biểu diễn không đổi.

Các chất kìm hãm, nhất là các chất kìm hãm có tính đặc hiệu cao có ý nghĩa lớn trong nghiên cứu khoa học cũng như trong thực tế. Ví dụ: disopropilphosphofluoridate (DIPF hoặc DFP), iodoacetamid, p-cloromerurbenzoate, ... thường được dùng để phát hiện các nhóm chức năng trong trung tâm hoạt động của enzyme. DIPF chỉ phản ứng với gốc Ser có vai trò xúc tác trong trung tâm hoạt động của enzyme acetylcholinesterase, trypsin, chymotrysin, tạo thành phức không hoạt động. Các chất kìm hãm protein thường có tính đặc hiệu khá cao, kìm

100

hãm thuận nghịch enzyme, chúng có vai trò quan trọng trong việc điều hòa, kiểm tra quá trình trao đổi chất trong hệ thống sống. Thuộc loại này, các protein điều hòa hoạt độ proteinase được nghiên cứu nhiều hơn cả và đã được sử dụng trong y học, trong nghiên cứu khoa học.

6.6.4 Các chất hoạt hóa (activator)

Chất này làm tăng hoạt độ xúc tác của enzyme. Các chất này có bản chất hóa học khác nhau, có thể là các anion, các ion kim loại hoặc các chất hữu cơ có cấu tạo phức tạp hơn. Ví dụ, tác dụng của anion chloride, brom, iode đến hoạt độ của -amylase động vật; tác dụng của một số ion kim loại như Mn++, Zn++, ... đối với hoạt độ của các protease ... Tuy nhiên tác dụng kích hoạt chỉ giới hạn ở những nồng độ xác định, vượt quá giới hạn này có thể làm giảm hoạt độ enzyme. Gluthation dạng khử (Glu-Cys-Gly) có tác dụng khử liên kết disulfide thành nhóm sulhydryl tự do (-SH) cho nên cũng có tác dụng hoạt hóa nhiều enzyme. Các chất đã nêu thường kết hợp trực tiếp với phân tử enzyme, làm thay đổi cấu tạo không gian của nó theo hướng có lợi cho hoạt động xúc tác của enzyme. Một số chất khác có thể tác dụng theo cách gián tiếp, ví dụ loại trừ các yếu tố kìm hãm khỏi môi trường phản ứng.

6.6.5 Nhiệt độ

Vận tốc phản ứng do enzyme xúc tác chỉ tăng theo nhiệt độ trong một giới hạn xác định mà ở đó phân tử enzyme vẫn còn bền chưa bị biến tính. Đại lượng đặc trưng cho ảnh hưởng nhiệt độ đến vận tốc phản ứng hóa học cũng như phản ứng enzyme là hệ số nhiệt Q10. Đó là tỉ lệ giữa hằng số vận tốc phản ứng ở nhiệt độ nào đó so với hằng số vận tốc phản ứng ở nhiệt độ thấp hơn 10oC. Hệ số này càng lớn, phản ứng càng khó xảy ra ở nhiệt độ bình thường. Hệ số Q10 của phản ứng enzyme là từ 1 đến 2 (của phản ứng hóa học bằng 2 đến 3). Từ hệ số Q10 có thể tính được năng lượng hoạt hóa  của phản ứng enzyme, đánh giá quá trình xúc tác.

101

   

Hình 6.6: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hoạt độ xúc tác của enzyme

 

Đường biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ đến vận tốc phản ứng của nhiều enzyme có dạng như ở hình 6.6. Nhiệt độ ứng với hoạt độ enzyme cao nhất gọi là nhiệt độ tối thích của enzyme (topt). Đa số enzyme có topt vào khoảng 40-50oC. Tuy nhiên Topt của 1 enzyme không cố định mà có thể thay đổi tùy cơ chất, pH môi trường, thời gian phản ứng, ... Nhiệt độ mà enzyme bị mất hoàn toàn hoạt tính xúc tác gọi là nhiệt độ tới hạn, thường vào khoảng trên 70oC. Ở nhiệt độ tới hạn, enzyme bị biến tính, ít khi có khả năng được hồi phục lại hoạt độ. Ngược lại, ở nhiệt độ dưới 0oC, hoạt độ enzyme tuy bị giảm nhưng lại có thể tăng lên khi đưa về nhiệt độ bình thường. Độ bền của phân tử enzyme tăng khi có cơ chất, coenzym, Ca2+, ...

6.6.6 pH môi trường

pH môi trường ảnh hưởng rõ rệt đến phản ứng enzyme vì nó ảnh hưởng đến mức độ ion hóa cơ chất, enzyme và ảnh hưởng đến độ bền của protein enzyme. Đa số enzyme bền trong giới hạn pH giữa 5 và 9, độ bền của enzyme có thể tăng lên khi có cơ chất, coenzyme, Ca2+ , ...

102

Đường biểu diễn ảnh hưởng pH đến vận tốc phản ứng của nhiều enzyme có dạng như ở hình 6.7. pH tối thích (pHopt) cho hoạt động của nhiều enzyme vào khoảng 7. Tuy nhiên, cũng có một số enzyme có pHopt rất thấp (pepsin, protease acid của vi sinh vật, ...) hoặc khá cao (subtilysine, pHopt > 10). pHopt của enzyme cũng không cố định mà phụ thuộc nhiều vào các yếu tố khác như cơ chất, tính chất dung dịch đệm, nhiệt độ, ...

pH

6.6.7 Tác dụng của chất chống chuyển hóa

Từ lâu người ta đã nhận thấy có hiện tượng cạnh tranh giữa những chất chuyển hóa và những chất có liên quan về mặt cấu trúc đối với chúng. Những chất này được gọi là các chất chống chuyển hóa. Trên thực tế, có nhiều chất có hoạt tính sinh lý bị cạnh tranh bởi những chất có liên quan về mặt cấu trúc, và nhiều chất có hoạt tính dược lý có khả năng làm biến đổi quá trình chuyển hóa nhờ tác dụng của chúng đối với các enzyme và các hệ enzyme có liên quan. Tất cả động vật bậc cao và nhiều vi sinh vật không có khả năng tự tổng hợp một số hợp chất hữu cơ vốn rất cần thiết cho sự sống còn và phát triển của cơ thể, các chất này thường phải được đưa từ bên ngoài vào. Tùy theo giống, loài, nhu cầu đòi hỏi các chất này có khác nhau. Các chất này thường bao gồm một số loại amino acid, một số acid béo, các vitamin, một số purine và pyrimidine, ... và thường được cơ thể sử dụng để tổng hợp protein,  nucleic acid, ... hoặc được biến đổi thành các chất cần thiết khác của tế bào. Việc sử dụng các chất này phải nhờ vào tác dụng của enzyme  và những enzyme này có thể bị ức chế bởi những chất có cấu trúc liên quan với các chất ấy. Những chất có tác dụng ức chế như vậy được gọi là chất chống chuyển hóa.

Các chất chống chuyển hóa cũng có thể làm trở ngại cho việc sử dụng các chất chuyển hóa do chính cơ thể tổng hợp nên. Trong khi nghiên cứu các con đường chuyển hóa, người ta có thể dùng các chất chống chuyển hóa để ức chế quá trình chuyển hóa và ngược lại, người ta có thể khắc phục hiện tượng ức chế sự phát triển của cơ thể bằng cách cho thêm những chất chuyển hóa cần thiết. Như vậy, sự nghiên cứu những chất chống chuyển hóa sẽ giúp ta phát hiện được những chất chuyển hóa quan trọng và những yếu tố phát triển cần thiết cho các chủng loại khác nhau và đồng thời giúp ta tìm kiếm những chất ức chế hiệu nghiệm đối với sự phát triển của các vi sinh vật gây bệnh và các u độc. Các chất chống chuyển hóa lấy được từ các cơ thể sống như vi khuẩn, nấm actinomyces, v.v... thường được gọi là chất kháng sinh.

Một hiện tượng ức chế cạnh tranh quen thuộc giữa chất chuyển hóa và chất chống chuyển hóa là sự cạnh tranh giữa paraaminobenzoic acid (viết tắt là PABA) và các chất sulfonamid có cấu trúc tổng quát là NH2-C6-H4-SO2NHR như sulfanilamid, sulfaguanidin, sulfiazol, sulfadiazin.

- Paraaminobenzoic acid là một trong những tiền chất quan trọng để tổng hợp folic acid. Acid này là một coenzyme quan trọng trong các phản ứng hóa sinh vận chuyển và sử dụng các mảnh có một carbon.

103

Những phản ứng này có vai trò rất quan trọng đối với sự phát triển của cơ thể. Vai trò của các chất sulfonamid là ở chỗ ức chế (cạnh tranh với paraaminobenzoic acid) enzyme có liên quan trong quá trình tổng hợp folic acid từ tiền chất paraaminobenzoic acid và những chất có liên quan khác, làm cho quá trình tổng hợp này không thực hiện được.

- Những vi khuẩn đòi hỏi paraaminobenzoic acid làm yếu tố phát triển là những vi khuẩn có khả năng dùng paraaminobenzoic acid làm tiền chất để tự tổng hợp folic acid, sự phát triển của những vi khuẩn này thường bị ức chế bởi sulfonamid và ngược lại, có thể khắc phục hiện tượng ức chế này bằng cách cho thêm paraaminobenzoic acid. Những cơ thể không có khả năng tự tổng hợp folic acid, thường đòi hỏi phải đưa chất này từ ngoài vào làm yếu tố phát triển vì không đòi hỏi paraaminobenzoic acid  để tổng hợp folic acid cho nên sự phát triển của những loại cơ thể này không chịu tác dụng ức chế của sulfonamid. Cơ thể người không đòi hỏi paraaminobenzoic acid làm yếu tố phát triển (mà dùng trực tiếp folic acid), do đó khi dùng sulfonamid, chất này sẽ ức chế cạnh tranh với paraaminobenzoic acid của vi khuẩn trong cơ thể, làm cho vi khuẩn không phát triển được, nhưng không ảnh hưởng đến sự phát triển của người mang vi khuẩn.

 

Tài liệu tham khảo

Phạm Thi Trân Châu, Trần Thị Áng, 1999. Hóa sinh học. NXB Giáo dục, trang 62-76.Nguyễn Xuân Thắng (chủ biên), Đào Kim Chi, Phạm Quang Tùng, Nguyễn Văn Đồng,

2004. Hóa sinh học.  NXB Y học, Hà Nội.Đỗ Đình Hồ (chủ biên), Đông Thị Hoài An, Nguyễn Thị Hảo, Đỗ Đình Hồ, Phạm Thị

Mai, Trần Thanh Lan Phương, Đỗ Thị Thanh Thủy, Lê Xuân Trường, 2005. Hóa sinh y học. NXB Y học, tp. Hồ Chí Minh.

Hoàng Quang (chủ biên), Nguyễn Đình Độ, Trương Thị Minh Đức, Bạch Vọng Hải, Phan Hải Nam, Đoàn Trọng Phụ, 2000. Hóa sinh y học. NXB Quân đội nhân dân, Hà Nội.

Nelson D. L., Cox M. M., 2005. Lehninger Principles of Biochemistry, Fourth Edition. Freeman and Company, New York, USA.

104

105