Giáo trình hóa sinh đại cương phần 1

LỜI NÓI ĐÀUHóa sinh đại cương là môn học nghiên cứu về cơ sớ phân tứ cùa sự sống, nghỉa là nghiên cứu về cấu tạo các chất cũng như chuyển hóa các chất trong cơ thế sống.Mục tiêu của học

PGS.TS NGUYỄN THỊ HOA (Chủ biên)

TS BÙI THỊ THU HƯƠNG, ThS LÊ THỊ MINH HIÊN BS PHẠM THỊ THÙY

(Tham gia biên soạn)

P G S T S N G U Y Ê N T H Ị H O A (C hú biên)

T S B Ìl| T H Ị T H U H Ư Ơ N G , T h S LÊ T H Ị M IN H H IÊ N ,

BS PH Ạ M T H Ị T H Ủ Y (T h a m gia biên so ạ n )

GIÁO TRÌNH HÓA SINH ĐẠI CƯƠNG

NHÀ X LÁ T BẢN ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

NĂM 2018

MÃ SỎ: ° 2 ' 23?

Đ HTN-2018

MỤC LỤC

Trang

LỜI NÓI ĐÀUHóa sinh đại cương là môn học nghiên cứu về cơ sớ phân tứ cùa sự sống, nghỉa

là nghiên cứu về cấu tạo các chất cũng như chuyển hóa các chất trong cơ thế sống.Mục tiêu của học phần hóa sinh đối với sinh viên y khoa là cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản về cấu tạo và chuyển hóa các chất, nồng độ các chất đó trong cơ thể, cơ chế tạo thành cùng quá trinh vận chuyển, thoái hóa các chất, sự trao đối năng lượng đề duy tri sự sống Hóa sinh đại cương giúp sinh viên phân tích được

sự thay đổi, cơ chế của sự thay đổi các chất và lựa chọn được các xét nghiệm hóa sinh

cơ bản trong một số bệnh lý thường gặp

Giáo trinh “ Hóa sinh đại cương” sử dựng cho sinh viên y khoa Giáo trinh được biên soạn dựa trên sự lồng ghép, tích hợp với một số môn thuộc khoa học cơ bản, y học cơ sờ

và y học lâm sàng theo dự án “Đồi mới chương trinh đào tạo bác sĩ đa khoa” năm 2017 cúa Bộ Y tế Nội dung giáo trình gồm 3 phần:

- Hóa sinh tĩnh gồm cấu tạo, tính chất và vai trò của các chất cấu tạo nên cơ thế sống như glucid, lipid, protein, vitamin cũng như cấu trúc và chức năng cúa enzym và những khái niệm cơ bán về năng lượng sinh học

- Hóa sinh động gồm chuyển hóa của các chất như chuyền hóa glucid, lipid, protein

- Hóa sính mô và cơ quan bao gồm sự chuyến hóa các chất xảy ra ở các mô và cơ quan như chuyển hóa nước và các chất vô cơ, hóa sinh các dịch cơ thể

Đây là lần biên soạn đầu tiên, mặc dù rất cố gắng song không thể tránh khỏi những thiếu sót Chúng tôi mong nhận được sự càm thông và những ý kiến đóng góp quý báu của Quý bạn đọc đề lần biên soạn sau, nội dung tài liệu được phong phú và hoàn chình hơn

Trân trọng cảm ơn!

Thay mặt các tác giả

PGS.TS Nguyễn Thị Hoa

Bài I

H Ó A H Ọ C P R O T E IN

Lẽ Thị M inh Hiển

MỤC TIÊU:

Sau khi học xong bài này, sinh viên có kha năng:

/ Trình bày được vai trò cua acid amìn và một sổ peptid quan trọng trong V học.

2 ứ n g dting được mội số tinh chai cua protein vào tr o n g y học.

3 Trình bày được vai trò cua nucleoliJ với cơ thê.

4 Trình bày được linh chaI cua hemoglobin và ứng dựng trong lâm sàng.

NỘI DUNG

Protein là những phân tứ lớn nhất trong tế bào sống Protein có mặt ở tất cá mọi

tế bào và các phần của te bào Trong một tế bào cũng có hàng ngàn loại protein, chiếm khoáng 50% trọng lượng khô cùa tế bào Protein đóng vai trò cơ bàn trong sự hình thành, duy tri cấu trúc và chức năng cùa cơ the song Protein qui định tinh đặc thù cùa

tế bào, đặc thù cá thể cũng như dặc thù về loài Protein được cấu tạo từ 20 acid amin Các aciđ amin liên kết với nhau bằng liên kết peptid Trọng lượng phân từ cùa chúng

từ 6000 đvC đến 1.000.000 đvC hoặc lớn hơn nũa

Ngày nay, người ta ước tính có khoáng 101" đến 1012 protein khác nhau nhưng chi do 20 acid amin khác nhau tạo thành

1 Acid amin

1.1 Cấu tạo cùa acid am in

Acid amin là đon vị cấu tạo nên protein, tất cả acid amin đều có trong phân từ nhóm carboxyl (-COOH ) và nhóm amin (-NH-,) cùng liên kết với một nguyên tứ

carbon gọi là carbon a.

Công thức tồng quát của acid amin:

R— CH — COOHI

NH2

R là gốc hữu cơ, thành phần nguyên 10 cùa gốc R là c, H, o, N, s

Ngoài hai nhóm chức chinh là nhóm carboxyl và nhóm amin Trong phân từ protein còn có thể có nhóm hoá chức khác như hydroxyl (-OH) hoặc thiol (-SH)

* Dồng ph â n quang hục của a d d amirt

Trừ glycin còn tất cả các acid amin đều chứa carbon bất đối (C*) trong phân tứ nên có đồng phân quang học Tuỳ theo vị trí của nhóm amin (-N H 2) đirợc gắn vào bẽn phải hay bên trái cùa carbon bất đối a mà acid amin thuộc dãy D hoặc L Trong tự

COOHH2N - ^ — H R

L -acid am in

1.2 Phân loại acid am in

Dựa vào cấu tạo gốc R đề phân loại 20 acid amin cấu tạo protein thành 2 nhóm:

- Acid amin mạch thẩng

- Acid amin mạch vòng

Trong acid amin mạch thang phân ra thành các dưới nhóm tùy thuộc vào số lượng nhóm -N H2 và -C O O H mà có acid amin trung tính, acid amin acid và acid amin kiềm

nhiên phô biên là acid amin dãy L

COOH

R

D-acidamin

thế khi cần thiết Giúp điều trị bệnh gan và túi mật, cũng như những tốn hại gây ra bới chúng nghiện rượu

và ma túy, giúp điều trị hoặc thậm chí đáo ngược bệnh não gan, hoặc tổn thương não liên quan đến rượu Sự cân bang lý tưởng cùa 3 acid amin quan trọng trong chế độ ăn cùa người tập the dục nhiều là 2 :1:1 (leucin:valin:isoleucin)

Nguồn thực phầm chứa valin: Sữa, thịt, ngũ cốc, nấm, đậu tương và lạc

mô cơ để tổng hợp các sterol, thành phần cấu tạo nên hormon, giúp duy trì lượng hormon tăng trưởng để thúc đẩy quá trinh phát triển mô cơ Nguồn thực phẩm chứa leucin: Đậu tương, lòng đò trứng, hạnh nhân, cá, lạc, tôm

Nguồn thực phẩm chứa isoleucin: Thịt gà, cá, hạnh nhân, hạt điều, trứng, gan, đậu lăng và thịt bò

collagen, elastin, và các mô cơ, giúp giữ cho các mô liên kết và cơ bắp khắp cơ thế khóe mạnh và đàn hồi, bao gồm cá tim Nó cũng giúp xuơng và men răng chắc khoè, có thể tăng tốc độ chữa lành vết thương hoặc hồi phục sau chấn thương Threonin còn kết họp với các acid amin acid aspartic và methion để giúp gan có chức năng lipotropic (kích thích cơ thể sư dụng mỡ), hoặc tiêu hóa chất béo và acid béo, nếu không có

đù threonin chất béo có thể tích tv trong gan và cuối cùng gây suy gan Ngoài ra, nó giúp hỗ trợ sản xuất các kháng thế, tăng cường miễn dịch, hữu ích trong điều trị một số loại bệnh trầm cảm Nguồn thực phấm chúa nhiều threonin nhất: thịt, cá, trứng

Methionin Met - M

H3C -S -(C H 2)2-ỌH-COOH

n h2Methionin: Do có chứa lưu huỳnh, cần thiết cho sán xuất chất các acid amin (như cystein và taurin) và glutathion - là chống oxy hóa tự nhiên giúp trung hòa các độc tố trong gan M ethionin còn là một lipoừopic (kích thích cơ thể sử dụng mỡ) giúp ngăn chặn sự tích

tụ m ỡ trong gan Là chất cần thiết để tạo creatine, cung cấp năng lượng cho cơ bắp để tăng hiệu suất thể thao trong thời gian ngắn, tập cường độ cao, hỗ trợ hoạt động bình thường của tim và hệ tuần hoàn Methionin còn ẸÍúp cho sự hình thành cùa collagen được sử dụng đề tạo thành da, móng, mô liên kết, và giúp giảm mức độ dị ứng viêm ưong cơ thể Thịt, cá, đậu đỗ tươi, trứng, đậu lăng, hành, sữa chua, các loại hạt là những thực phẩm chứa menthionin

Acid amin acid

Aspartic acid Asp - D h o o c - ch 2- ọhn h2- c o o h

Asparagin Asn - N h2n - ọ - c h 2- ọ h - c o o h

ỏ n h2

Glutamic acid Glu E HOOC-CH2- CH2 - ỌH-COOH

Acid amin nhân thom

Tyrosin T y r - Y h o ^ ^ V c h2- 9h - c o o h

x = / NH2Acid am in dị vòng

thông tin từ não đến các bộ phận khác nhau cùa cơ the Có the hữu ích cho việc điều trị các rối loạn tâm thần cũng như một số loại rối loạn chức năng tình dục bởi vỉ nó được chuyển đổi thành histamin, m ột chất hóa học cần thiết để kích thích hưng phấn tình dục đặc biệt khi dùng cùng với vitamin B3 và vitamin B6 Mức histidin trong cơ thể phải được cân đối vì nếu cao quá sẽ gây các rối loạn tâm lý như lo âu và tâm thần phân liệt, trong khi mức độ thấp của histidin sẽ gây ra bệnh viêm khớp dạng thấp và các loại điếc mà kết quả từ tồn thương thần kinh Histidin rất quan trọng cho việc sản xuất tế bào máu (hồng cầu và bạch cầu) Giúp cơ thể phát triển và liên kết mô liên kết cơ bắp với nhau.

Thực phẩm giàu histidin như thịt và các sản phẩm sữa, ngũ cốc, gạo, lúa mi, lúa mạch đen

Tryptophan Trp - w

-j-CHj-CH-COO H

I ^ Ấ NJ nh 2 H

T ry p to p h a n : CÓ hai chức năng quan trọng, một là đuợc gan chuyển hóa thành niacin (vitam in B3), hai là cung cấp tiền chất của serotonin, một chất dẫn truyền thần kinh giúp cơ thể điều hòa giấc ngủ và tâm trạng, làm giảm cảm giác thèm ăn, hỗ trợ giảm cân cho người béo phì

Các thực phẩm giàu chất tryptophan là chuối, đậu phộng, hạt sen, gạo, thịt gà tây, bí đỏ (bi đò chứa một lượng tryptophan rất dồi dào)

- Các acid amin khác nhau có độ hoà tan khác nhau trong cùng m ột dung môi

ứ n g dụng tính chất này để phân tích acid min bằng phương pháp sắc ký trên giấy

- M ột so acid amin ít tan trong dung dịch kiềm và acid loãng

Ví dụ: prolin

M ù i vị: + Vị ngọt: alanin, histidin, glutamic, valin, prolin, trytophan.

Ví dụ: histidin - ► histamin Histamin gây hạ huyết áp và dị ứng.

Glutam ic -► GABA (yaminobutync acid, là chat ức chế dẫn truyền xung độngthần kinh)

*Khư nhỏm amin:

- Trong cơ thế acid amin khứ nhóm amin bang cách oxy hóa tạo acid a cetonic

a

R— CH— COOH -► R — C O — COOH + NH3NH2

ứ n g dụng: định luợng nitơ của acid amin băng phương pháp Vanslyke

* Tạo base shiff:

a

R— CH — COOH + O H C -R ' - *- R — CH — COOH + H20

ứ n g dụng: định lượng acid amin bằng phương pháp Sorensen

* Phán ứng lạo phứ c hợp với muối kim loại:

Các acid amin có thề kết họp với muối kim loại nặng như: Cu 2, Hg \ Mn 2, Pb

Trong cơ thể các acid amin tồn tại dưới dạng ion lưỡng cực.

Trong môi trường acid (H ): acid amin tác dụng như m ột base và tồn tại dưới dạng ion (+), khi có dòng điện chạy qua chúng di chuyển về âm cực

Trong môi trường kiềm (OH'): acid amin tác dụng như một acid và tồn tại dưới dạng ion (-), khi có dòng điện chạy qua chúng di chuyển về dương cực

Điêm đăng điện cua a a d amin (pH i): pHi cùa acid amin là pH cua môi trường

mà ớ đó đối với mỗi acid amin tồn tại duới dạng ion lưỡng tính nhiều nhất Còn hai dạng ion (+) và ion (-) là ít nhất và bang nhau Mỗi acid amin có pHi tương ứng:

Ú ng dựng: phân tách acid amin bằng phương pháp điện di

S ố Hên kết p ep tid số a cid amin -1

2.1.2 Tính chắt cùa p ep lid

Tính chất hoá học, tính chất lưỡng tính, tính chất hoá lí giống protein

2.2 M ộ t số peptid quan trọng

2.2.1 Glutalhion: là một tripeptid, là chất chống oxy hóa không có bản chất enzym.

- Nguồn gốc: gan, thận, phổi, tim, hồng cầu

- Cấu tạo: gồm 3 acid amin là glutamic, giycin và cystein

Ví dụ: glycin: 5,7 aspactic: 2,77

cystein: 5,05 glutamic: 3,22

alanin: 6,00 arginin: 10,76

Hình 1.1 Liên kết peptid

I IH3N1— CH — c — OH + H — N— CH2— c o o

Glutathion giài độc cơ thể thông qua gan nhờ gan kết với các độc chất trong gan, chuyến hóa chúng và đào thài ra ngoài Người ta nhận thấy GSH có lợi trong các trường hợp ngộ độc thuốc: paracetamol, phosphor hữu cơ, ngộ độc kim loại, kể cả những trường hợp đang điều trị ung thư bang hóa trị, xạ tr ị

2.2.2 Ocytocin: polypeptid (9 acid amin).

- Nguồn gốc: thùy sau tuyến yên

- Cấu tạo: gồm 9 acid amin một câu disulfur ớ vị ưí so 1 và số 6 Vị tri số 3 là isoleucin và vị tri số 8 là leucin Vai trò: tăng co bóp cơ cổ tứ cung

2.2.3 Vasopessin fAntidiuretic hormon - ADH)

- Nguồn gốc: thuỳ sau tuyến yên

- Cấu tạo 9 acid amin Một cầu disulfur ờ vị tri số 1 VỚI vị trí số 6 VỊ tri số 3 làphenylalanin và vị trí số 8 là arginin

- Vai ữò: tăng huyết áp, tăng tái hấp thu nước ờ ống thận Neu ADH giàm sẽ gây

ra bệnh đái nhạt

2.2.4 Insulin

- Nguồn gốc: tuyến tụy được tồng hợp ở tế bào beta cùa tiếu đáo Langerhans ờ

dạng preproinsulin (11.500 Da) Các enzym trong ty lạp thể sè chuyển preproinsulin thành proinsulin (9000 Da) Các proinsulin được dự trữ trong các hạt cùa bộ Golgi, khi các hạt chín sẽ tách một phân tử Insulin và một phân từPeptid c Hai phân tú này được sán xuất với mức độ ngang nhau về tý số phân tử

và đồ vào tuần hoàn cừa

- Công thức hóa học: C257H i83N65077S(,

- Trọng lượng phân từ: 5808 Da

- c ấ u tạo: 51 acid atnin gồm 2 chuỗi polypeptid: chuỗi polypeptid A có 21 acid

am in và chuỗi B là 30 acid amin được gắn với nhau bằng 2 cầu disulfur và 1 cầu đơn disulfur ờ chuỗi A

- Vai trò: kiểm soát chuyển hóa glucose trong máu

Hình 1.2 Quá trình tạo insulin từ preproinsulin

2.2.5 P e p tid C

- Nguồn gốc: tuyến tụy

- Cấu tạo: là chuỗi đơn có 31 acid amin nối với chuỗi A và B cùa insulin trong phân tử proinsulin

- Vai trò: đảnh giá chức năng tế bào beta còn lại và tiến triển của bệnh ờ bệnh nhân ĐTĐ tuýp 1 được điều trị bằng insulin, chẩn đoán phân biệt ĐTĐ tuýp 1 và tuýp

2, chân doán hạ glucose máu giả, u te bào tiết insulin

3 Protein

.? / Cấu tạo của protein

3 / / ( 'ấu lạo hóa học

- Thành phần nguyên tố tham gia cấu tạo: c, H, o, N, s.

- Protein được xây dựng từ một hay nhiều chuỗi polypeptid liên kết với nhau

ỉ 1.2 ( 'ác loại liên két

- Liên kết peptic! (-C ’O-HN-): la loại liên kết được thành lập giữa nhóm carboxyl

với nhóm amin cùa hai acid amin kế cận bang cách loại đi một phân từ HiO Đó

ià liên kết dọc và là liên kết cơ ban nhất, liên kết này không bị cắt đứt khi protein

bị biến tinh Còn các liên kết khác bị cắt đứt khi protein biến tính

Liên kêt peptid

ị II R2

H3N^—CH — ( — N— CH,— c o oĩ '

- Liên két disulfur (-S-S-): là loại liên kết được thành lập giữa hai nhóm thiol

cua hai phân tư

- Liên kết hydro (-CO HN-): là lực hút tĩnh điện giữa một bên là nguyên tử H thừa

điện tích dương và một bên là nguyên tử nitơ hoặc oxy thừa điện tích âm

- Liên kết muối (hên kết ion) (-COCT ' H ị N-): là lực hút tĩnh điện giữa nhóm

carboxyl cùa acid amin acid và nhóm amin cùa acid amin kiềm trong chuỗi polypeptid

- Liên kết kị nước: là sự tương tác giữa các Iilióiiì không phân cực như gốc phenyl, nhóm -C H ,

3.1.3 ('an Irtíc cua protein

* ( 'ầu trúc hộc I : là sô lượng, thành phân và trinh tự săp xêp các acid amin

trong chuỗi polypeptid cua phân tứ protein Trinh tự cùa acid amin trong chuỗi

polypeptid quyết định câu trúc không gian cua chuỗi đông thời quyết định tinh chất sinh học cùa protein Phương pháp nghiên cứu cấu trúc bậc I là phương pháp hóa học.

Ví dụ: Insulin có 51 acid amin gồm 2 cluiồi: chuỗi A có 21 acid amin và chuỗi

B có 30 acid amin Hai chuỗi nối với nhau bơi 2 can disulfur: câu thir nhất giữa gốc cystein ơ vị tri 20 cua chuỗi A và vị tri 19 cua chuồi B; cầu tliir hai giữa gốc cystein ơ

vi tư thứ 7 cua ca 2 chuỗi Trong chuỗi A con có một cầu disulfur giữa 2 gốc cystein ơ vị tri thứ 6 và I 1 Giữa các loài khác nhau o vị trí A8, A9, A 10 và B30

* ( 'ấu trúc bậc 2: là câu trúc xoăn một cách đêu đặn hoặc gâp nẽp một cách có

chu kỳ cùa chuỗi polypetid trong phân tử protein Câu trúc bậc 2 do các liên ket hydro quyết định Phương pháp nghiên cứu cấu trúc bậc 2 là phương pháp nhiễu xạ tia X

Cấu trúc xoắn a protein có cấu trúc xoăn a là a - keratin c ấ u trúc này được ôn

định nhờ liên kết hydro giữa nhóm -N H - và nhóm -C O - cua các acid amin ttrong cúng một chuỗi polypeptid c ấ u trúc xoắn có đặc điêm là cứ một vòng xoắn 360° thi có 3,6 gốc acid amin, do nhóm -N H- cùa acid atnin thír nhat liên kết với nhóm -C O - cùa acid amin thứ tư tạo ra, xoắn có thê theo chiều phai hoặc xoắn trái, nhưng xoan phái thường

ổn định hơn

Cấu trúc gấp nếp (3: protein có cấu trúc gấp nếp p điên hình là p-keratin của tóc Cấu trúc gấp nếp p được ổn định nhờ các liên kết hydro giữa hai chuỗi polypeptid Các chuỗi polypeptid trong cấu trúc p có thể là song song hoặc đối song với chuỗi bên Nhiều liên kết hydro trong các chuỗi tạo ra những nếp gấp

H ình 1.3 T rậ t tụ các acid am in trong phân tử insulin ò' nguòi

* ( 'ấu trúc bậc 3: là sự sẳp xếp vừa xoẳn vừa gấp khúc một cách dày đặc và

phức lạp cua chuỗi polypeptid Các liên kết ngang, đặc biệt là các liên kết disulfua, liên kết ion, tirơng tác kỵ nước quyết định cấu trúc bậc 3 cua protein Những protein có cẩu trúc bậc 3 điển hình là myosin, trypsin và các chuỗi polvpeptid cua hemoglobin

Hình 1.5 Cấu trúc bậc 3

M k N ư oc # B a z o 0 C ưc ưa nươc (p h â n cưc) I A xM 0 K I nưac (k h ú ng p h a n cu t)

J S - lưu h u ý n h

* Cấu trúc bậc 4: protein chứa trong phân từ từ hai chuỗi polypeptid trớ lèn, thê

hiện sự phức tạp hơn về mức độ cấu trúc phân từ

Vi dụ: hemoglobin gồm 4 tiêu phần protein: hai tiêu phân a và hai tiêu phần p

Nếu 4 tiều phần tách rời Iihau thi mỗi tiểu phần không thể vận chuyển được một phân

từ 0 2 Khi kết hợp lại thành trạng thái tetram er tạo thành một khối không gian đặc thù gần như hình tứ diện thì mới có kha năng kết hợp và vận chuyển khi oxy

Hình 1.6 Cấu trúc bậc 4 trong hemoglobin

3.2 Tính c h ấ t cùa protein

3.2.1 Trọng lượng phân lư cua protein

Có nhiều phương pháp xác định trọng lượng phân từ protein

* Phương pháp hoú hục: dựa trên sự xác định hàm lượng một nguyên to nào đó đà biết

rõ tỷ lệ ừong phản tứ từ đo tính ra trọng lượng phân tư cùa protein

* phươ ng pháp ihâm than: đo áp suất thâm thấu cua dung dịch protein tinh ra trọng

lượng phân tư protein

* Phương phíìp đo độ nhát: trọng lượng phân từ protein tý lệ thuận với độ nhớt cua

dung dịch chứa protein đó

* 1’hương pháp siêu ly lâm: xác đ;nh độ lang cua protein trong dung dịch chịu sự ly

tâm với tốc độ rất lớn rồi tính ra trọng lirợng cùa phân từ protein

* Phtnm g pháp sàng phàn lư: bằng phương pháp này có thê xác định trọng lượng liphàn

tứ băng cácli ngoại suy đối chiếu với một so protein mẫu đà biết trọng hrợng phân từ

3.2.2 Tinh chắt hoá học cua protein

* Phan ứng Hiure:

3.2.3 Tính chất hóa lý cua protein

* Tính chất hoà lan: đa số protein hoà tan trong dung dịch muối loãng, protein dạng

sợi thường hoà tan dung dịch muối đậm đặc hơn Protein hoà tan trong nuớc tạo thành dung dịch keo có kich thước phân từ lớn hon 1 1-1111 Các tiều phân này không qua được màng thẩm tích Dạng keo này tồn tại nhờ hai yếu tố:

- Lớp áo nước bao quanh tiểu phân protein làm ngăn cách giữa tiểu phân này với tiểu phân khác

- Các protein mang điện cùng dấu nên đẩy nhau

* Tính chất kết tua: khi làm mất hai yếu tố hoà tan ờ trên thi protein tụ lại và kết tủa

- Làm mất lớp áo nước: có thể dùng (NH4)2S0 4, alcol, aceton (tách âm biến tính)

- Trung hoà điện tích: có thề dùng chất điện giải NaCI hoặc đưa pH cùa môi trường ve pHi cùa protein đó

* Tính chai biến tính: biến tính là hiện tượng đáo lộn cấu trúc bên trong phân tử

protein các liên kết ngang bị cát đứt (trừ liên kết peptid) c ấ u trúc bậc 2, 3 và 4 cũng bị thay đôi làm giam độ hoà tan, làm giảm hoặc mất tính sinh vật học

- Tác nhàn gây biến tinh:

NaOHProtein + CuSOj > Phức hợp màu tír^ hồng

0

— C H — C — N — + C u *2

H n

+ Vật lý: nhiệt độ cao, các tia phóng xạ.

+ Hoá học: HNO.1, tricloacetic, sulphosalicylic, muối kim loại nặng như CuSOj

3.2.4 Tính chaI lưỡng, lính và pHi cua protein

* Tinh chaI lưỡng lính: protein được cấu tạo từ các chuỗi polipeptid mà mỗi chuỗi

polypeptid bao giờ cũng có nhóm amin tận cùng tự do và nhóm carboxyl tận cùng tự

đo nên protein có tính chất lưỡng tính

* p H i cùa protein:

Tương tự như acid amin mỗi phân tử protein có một pHi tuơng ứng

Ví dự: album in trứng 4,59 - 4,71

ứ n g dụng: phân tích protein huyết thanh bàng phương pháp điện di

3.3 Phăn loại protein

3.3.1 Phân loại theo cấu tạo

* Protein thuần (protein đơn gián): là các protein khi thủy phân cho các aciđ amin

thường gặp, đó là các protein như album in, globulin, histon

* Protein tạp (protein liên hợp): trong thành phần ngoài acid amin còn có những chất

không phải là acid amin gọi là nhóm ngoại Nhóm ngoại có thể là glucid, lipid, acid nucleic, kim lo ại

3.3.2 Phân loại theo hình dạng

* Protein cầu: là nhùng protein có tỳ lệ trục chiều dài trên trục chiều ngang nhó hom

10 Thuộc nhóm này lả các protein enzym e và những protein huyết thanh

* Protein sợi: là những protein có tỷ lệ trục chiều dài trên trục chiều ngang lớn hơn 10

nhiều lần như keratin cùa tóc, móng và collagen cùa tổ chức liên kết

3.3.3 Phân loại theo chức năng

* Protein chức năng:

- Các protein enzym xúc tác cho phản ứng hóa học xảy ra trong cơ thể sống.

- Các protein vận chuyển: hem oglobin vận chuyển oxy trong máu, transferrin vận chuyển sắt, ceruloplasm in vận chuyển đồng, protein vận chuyển hormon từ nơi tồng hợp đến cơ quan đích, m ột số protein vận chuyển thuốc và chất độc

- Các protein báo vệ như các kháng thể IgA, IgE, IgM, IgG Interferon là protein chống lại sự nhiễm khuẩn và nhiễm virus Fibrin có tác dụng làm co cục máu

- Ngoài ra còn có protein điều hòa các cơ quan cũng như điều hòa cơ thể Các protein co cơ như myosin, actin Protein điều hòa sao chép, phiên dịch nhu histon

* Protein cấu trúc:

Những protein tham gia cấu tạo m ô liên kết, hình thành khung xương, cấu tạo

cơ thề người như collagen, elastin

4 Protein tạp

4.1 Các loại protein tạp: nucleoprotein, chromoprotein, glucoprotein, lipoprotein,

metal oprotein

4.2 N ucleoprotein: nhóm ngoại là acid nucleic

4 2 1 ( ail lạo hóa học cua a cid nucleic

- Glucid: ribose và deoxyribose cấu tạo ARN và ADN.

- Acid phosphoric: H (P 04

- Base nitơ nhãn purin và nhân pyrimidin:

( 'ác hase nilơ nhàn purin:

Adenosin di phosphal hay adenosin tri phosphat (ADP-ATP) tham gia vào các phản img phosphoryl hóa ATP được coi nhir nguồn phosphat giàu năng lượng cung cấp cho các phan úng cần năng lượng AMP vòng có thề tham gia vào hoạt động cùa một số hormon

- Các dẫn xuất cua guanin

Dẩn xuất của guanin gồm guanosin diphosphat (GDP) và guanosin triphosphat (GTP) GTP đóng vai trò quan trọng trong tổng hợp protein

- Các dẫn xuất cùa cyíosin

Dần xuất của cytosin gồm cytidin diphosphat (CDP) và cytidin triphosphat (CTP) CTP là nucleotid duy nhất tham gia tổng hợp lecithin

-C á c dẫn xuất cùa uracil

Dần xuất của uracil gồm uridin diphosphat (UDP) và uridin triphosphat (UTP) UTP tham gia phán ứng liên hợp acid glucuronic

- Những coenzym nucleotid

Một so coenzym là dạng dẫn xuất cùa nucleotìd với các vitamin như coenzym flavin adenin dinucleotid (FAD) có chứa vitamin B2, nicotinamid adenin dinucleotid (NAD ) và coenzym nicotinamid adenin dinucleotid phosphat (NADP ) có chứa vitamin pp

- M ethiunin hoại hóa adenosyl

Methionin được hoạt hóa dưới dạng s adenosyl methionin cũng có thành phần

là adenin nucleosid

4.3 Crom oprotein: H em oglobin (Hb)

Hemoglobin là một protein tạp, có nhóm ngoại là hem H em oglobin đảm nhận nhiều chức năng sinh học quan ừọng như vận chuyển 02 và C 0 2 Hemoglobin cũng là

m ột trong các hệ đệm quan trọng của cơ thể

■f.3.1 Cấu trúc phân tư hemoglobin

* Globin: là phần protein cùa Hb và quyết định đặc tính chủng loài của hemoglobin

Globin gồm 4 chuỗi polypeptid: hai chuỗi a , mỗi chuỗi a gồm 141 acid amin và hai chuỗi p, mỗi chuỗi p là 146 acid amin

* Cấu tạo cua Hem: hem được cấu tạo từ protoporphyrin IX gắn với ion F e ' \

Protoporphyrin IX hình thành từ porphin Phân tứ porphin gồm 4 vòng pyrol liên kết với nhau qua 4 cầu metylen, có 8 vị trí thế các nhóm thế tạo thành phân tú porphyrin Fe’ liên kết với 4 nguyên tử nitơ nằm trên mặt phẳng vòng porphyrin tạo thành hem

* Phăn tử 2,3 DPG (2,3 dìphosphu glyceral'): được tạo ra trong thoái hóa glucose

Lượng 2,3 DPG đặc biệt cao trong hồng cầu, có tác dụng làm giảm ái lục của Hb vói oxy

* Phân tứ hemoglobin gồm 4 tiếu đơn vị, mỗi tiếu đơn vị gồm I hem gắn với 1 chuỗi

polypeptid hoặc a hoặc p Phân tử 2,3-DPG nằm ờ vị trí trung tâm cùa phân từ hem oglobin theo tỷ iệ 1:1 về mol Phân tứ 2,3-DPG tạo liên kết muối với 2 chuỗi p Phân tử hemoglobin có cấu trúc bậc 4 Một phân từ hemoglobin vận chuyển được 4 phân tứ oxy

* M ột so hemoglobin ơ người

- H bA ,: a->Ap2A chiếm 98% tổng lượng hemoglobin ờ người trưởng thành

- HbA2: a2AS2A chiếm khoảng 2% tồng lượng Hb Khi điện di trên giấy HbA2 chạy chậm hơn H bA|

- HbF: a2 y2A, đuợc hình thành từ thời kỳ bào thai Khi mói sinh HbF chiếm 80% tổng lượng hemoglobin Sau đó giảm dần, sau 2-3 tháng còn lại khoảng 50%, đến

1 tuổi chi còn dưới 0,5%

4.3.2 Tính chất cúa hemoglobin

* K ết hợp với các chất khí:

- Kết hợp với oxy:

Nhận xét:

+ Phản ứng xảy ra nhanh nhạy

+ Phản ứng xáy ra thuận nghịch là do áp suất riêng phần của 02 quyết định + O xy liên kết với Fe*2 bằng liên kết cộng hợp

+ Làm đôi màu của máu từ đó sẫm sang đỏ tươi

- Kết hợp với C 0 2:

H

Công thức cấu tạo 2,3DPG

Hb + 02 hemoglobin

i H b 02 Oxyhemoglobin

Hb + C 02 :Hemoglobin

Nhận xét:

+ Phán ứng xảy ra nhanh nhạy

- HbCO,

c arbohemoglobin

+ Phán ứng xảy ra thuận nghịch là do áp suất riêng phẩn cùa c o quyết định.+ COị kết hợp VỚI nhóm amin cua acid amin kiềm cùa globin dạng carbamyl.

- Két hợp với ( '( ):

llb + CO - ► HbCO

Nhận xét:

+ Phan ưng xáy ra chi theo chiều thuận

+ Hb kết hợp với CO xáy ra mạnh gắp 210 lần so với Hb kết hợp 0 2 Vi vậy c o

có thẻ đây Oị ra khói HbO;

* Oxy hoủ Hh:

Fe _ Fe 'Nhận xét:

+ Phản írng xáy ra thuận nghịch Chiều thuận xáy ra dưới tác nhân oxy hoá

Ví dụ: nitrit, clorat, fericyanua

Methemoglobin không có khá năng vận chuyển oxy

+ Chiều nghịch xáy ra dưới tác nhân khư

Ví dụ: glucose, vitamin C

Đặc biệt trong cơ thể có enzyni diaphorase Vi vậy MetHb ít độc hơn IHbCO

* Tính chắt lự xúc lác cua Hb: Hb tác dụng như enzym peroxydase có khá năng phân

huỷ H20 2 đế tạo thành HịO và oxy hoạt động, oxy này sẽ oxy hoá thuốc thứ cho màu đặc hiệu

AH2 + H20 2 ► 2H 20 + APeroxydhydro

Ú ng dụng: tìm máu trong nước tiều

TÓM TẮT

Protein có mặt ờ tất cà inọi tế bào và các phần cùa tế bào Trong một tế bào cũng

có hàng ngàn loại protein, chiếm khoáng 50% trọng lượng khô cùa tế bào Protein đóng vai trò cơ bàn trong sự hình thành, duy trì cấu trúc và chức năng cùa cơ thê sống Protein qui định tính đặc thù cúa tế bào, đặc Ihù cá the cũng như đặc thù về loài.Bài giàng này giới thiệu chung về cấu tạo, vai trò và tinh chất cua các acid amin, peptid, protein đặc biệt có nhấn mạnh đến vai trò, tinh chất của loại acid amin peptiđ, protein quan trọng trong cơ thẻ để từ đó ứng dụng giải thích các cơ chế bệnh lý liên quan và cũng chi ra được một số loại acid amin, peptid, protein được sử dụng là xét nghiệm có ý nghĩa trong chần đoán bệnh hay các loại thuốc trong điêu trị Protein là những phân tứ lớn nhất trong tế bào sống

Bài 2

E N Z Y M

Nguyễn Thị Hoa

M ỤC TIÊU

Sau khi học xong bài này, sinh viên có khả năng:

/ Phãn tích được các y ế u to anh hương đến tốc độ phan ứng enzym.

2 Ưhãn tích được sự thay đôi hoạt độ enzvm trong m ột sổ /nrừng hợp bệnh lý.

3 l.ựa chọn được m ột so enzym thường được ứng dụng trên lăm sàng trong một

Hiện nay đã xác định được khoáng 3500 enzym

Enzym và xúc tác sinh học là một phần then chốt trong hóa sinh và đang phát triền mạnh mẽ được sù dụng rộng rãi trong nghiên cứu cấu trúc phân tử, nông nghiệp, công nghiệp và y học

2 Bản chất hóa học và đặc điểm sinh học

- Bản chất cùa phần lớn enzym là protein

- Enzym hoà tan trong nước hoặc muối loãng Do kích thước phân tử lớn nên enzym không qua được màng thẩm tích Tất cả các yếu tố làm biến tính protein như acid đặc, muối kim loại, nhiệt độ cao đều gây biến tính enzytn

- Enzym bị tủa và biến tính trong dung môi hữu cơ

- Các enzym được tồng hợp dưới sự điều khiển của gen, mỗi enzym có m ột gen tương ứng Có những enzym có tù then kỳ bào thai, có những enzym xuất hiện trong quá trinh phát triển của cơ thể Có những enzym được tổng hợp với tốc độ ồn định và ton tại với số lượng lớn, không phụ thuộc vào trạng thái chuyển hóa của cơ thể N gược lại, có những loại enzym bình thường cũng tồn tại với số lượng cần thiết nhưng khi sản phẩm cuối cùng cùa CỊuá trinh chuyển hóa tăng lên quá mức thì chính sản phẩm này sẽ tác động vào hệ gen tổng hợp enzym, đó là hiện tượng kìm hàm tông hợp enzym

- về sự phân bố cùa enzym trong tế bào: enzym có mặt ở mọi tế bào và mô Tuy nhiên, ở mỗi mô, mỗi tế bào thường có những hệ thống enzym đặc biệt Cùng một loại enzym, trong các mô khác nhau thệm chí trong các thnafh phần khác nhau cùa một tế bào cũng có thề khác nhau về lirợng có khi cả về chất

- Trong tế bào sống, các phán ứng enzyin có liên quan mật thiết với nhau và với môi trường bên ngoài, tạo nên một mạng lưới chuyển hóa rất phức tạp, được phoi hợp

và điều chinh chinh xác Sụ điều chinh này được thê hiện qua sự điều hòa sinh tồng hợp và điều hòa hoạt tính cua enzym

3 Cách gọi tên và phân loại

3 1 Cách g ọ i tên enzym

Enzym có thế có 4 cách gọi tên như sau:

+ Tên cơ chất đặc hiệu + đuôi ase: Urease là enzym tác dụng lèn urê, proteinase tác dụng lên protein

+ Tên tác dụng + ase Ví dụ tác dụng oxy hóa enzym là oxidase, tác dụng trao đôi amin enzym là aminotransferase

+ Tên cơ chất + tên phan ứng + đuôi ase Vi dụ: Tyrosindecarbocylase xúc tác phan ánh khir nhóm carboxyl cua acid amin tyrosin, hoặc lactatdehydrogenase xúc tác phán ứng khư hydro của acid lactic

+ Tên thường gọi: cách gọi này không có đuôi ase Vi dụ: pepsin, tripsin,

C hym otripsin

3.2 P hân loại enzvm

Khi số lượng enzym được tách chiết, tinh sạch và xác định ngày càng nhiều thì việc gọi tên và phản loại enzym trớ nên phức tạp Đe chuẩn hóa cách gọi tên và phân loại enzym, Hiệp hội enzym quốc tế (Enzyme Commission: EC) đà phân loại theo phàn ứng mà chúng xúc tác thành 6 loại:

phàn ứng ọxy hóa và phản ứng khứ, nghĩa là các phản ímg có sự trao đồi điện từ theo phàn ứng tông quát:

AH2 + B - *• A + BH2Loại enzym oxy hóa khứ gồm các dưới lớp

- Các dehydrogenase: sừ dụng các phân từ không phài oxy làm chất nhận điện

tứ (thường là các coenzym oxy hóa khứ) Ví dụ: lactat dehydrogenase, glucose óphosphatdehydrogenase,

- Các oxidase: sứ dụng oxy làm chất nhận điện từ nhưng không tham gia vào thành phần cơ chất Vi dụ: các citochrom oxidase

- Các reductase: đưa H và điện tù vào cơ chất Ví dụ: bilirubin reductase

N goài ra còn một số dưới nhóm như: catalase, peroxidase, oxygenase

* L oại 2: enzym vận chuyền nhóm (transferase): lả loại enzym xúc tác phản ứng vận chuyển một nhóm hóa học giữa hai cơ chất theo phán ứng:

AX + B -» A + BXLoại enzym này gồm các dưới lớp:

- Các aminotransferase: chuyền nhóm -N H2 từ acid amin vào acid acetonic Ví

dụ aspartat transaminase

- Transcetolase, transaldolase: chuyên đơn vị 2C và 3C

- Các kinase: chuyển gốc phosphat từ ATP vào cơ chất Ví dụ: hexokinase

- Các throlase: chuyền nhóm CoA-SH vào cơ chất

- Ngoài ra CÒI1 một số dưới nhỏm như: polymerase, phosphorylase, acyl transferase

Xúc tác phan írng chuyển vận các gốc hoặc các nhóm hoá học khác nhau từ phân

tư này sang phân tư khác

Vi dụ: aminotransferase, acyltransferase,

Loại 3: enzym thuý phân (hydrolase): cat các liên kết este, liên kết osid Tham gia cất đứt các liên kết nội phân tù, bang cách gắn một phân tử nước

AB + H20 - ► AH + BOHLoại enzym này gồm các dưới lớp:

- Các esterase: thúy phân liên két ester Vi dụ: triacylglycerol lipase

- Các glucosidase: thúy phân liên kết glucosid

- Các protease: thủy phân liên kết peptid

- Các phosphatase: thúy phân liên kết estephosphat

*Loại 4: enzym phân cat (lyase): còn gọi là enzym tách nhóm, là loại enzym xúc tác phản ứng chuyển đi một nhóm hóa học khòi một cơ chất mà không có sự tham gia cùa phân từ nước

AB - > A + BLoại enzym này gồm các dưới lớp:

- Các decarboxylase, tách phân từ CƠ2 từ cơ chất Vi dụ pyruvatdecarboxylase

- Các aldolase: tách một phân từ aldehyd từ cơ chất

- Các lyase: tách đôi một phân từ mà không có sự tham gia cùa nước

*Loại 5: enzym đồng phân: là loại enzym xúc tác cho các phán ứng biến đối giữa các dạng đồng phân cùa các chất hóa học

ABC - *> ACBLoại enzyrn này gồm các dưới lớp:

- Các isomerase: chuyển dạng giữa nhóm ceton và aldehyd Ví dụ: phosphopentose isomerase

- Các racemase: chuyến dạng đồng phân giữa dãy D và dãy L.

*Loại 6: enzym tông hợp (synthetase hay ligase): là loại enzym xúc tác phán ứng găn hai phân tư với nhau thành một phán từ IỚ11 hơn nhờ năng lượng cung càp bới

sự thuy phản ATP và các chất tương đương

A + B + c - ♦ ABCLoại enzym này gồm các dưới lớp:

- Các synthetase: gắn hai phân từ với sự tham gia cua ATP

- Các carboxylase: gan CO2 vào phân tù cơ chất Ví dụ: pyruvat carboxylaseLigase: sư dụng cho việc gan 2 đoạn nucleotid với nhau Vi dụ: DNA ligase

4 Cấu trúc phân tư enzym

- Tham gia trực tiếp vào phán ứng xúc tác cúa enzym

- Hoạt động như một chất oxy hóa khử

- Tạo thành phức hợp với cơ chất

4.2 Trung tâm hoạt động

Trung tâm hoạt động hoặc vị tri hoạt động cùa enzym là những vùng đặc biệt của enzym, có tác dụng gắn với cơ chất để xúc tác cho phán ứng làm biến đồi cơ chất thành sán phẩm Mỗi enzym có thế có một, hai hoặc nhiều trung tâm hoạt động Trong tâm hoạt động cúa enzym gồm những nhóm hóa và những liên kết tiếp xúc trực tiếp với cơ chất hoặc không tiếp xúc trực tiếp với cơ chất nhưng có chức năng trục tiếp trong quá trinh xúc tác

v ề thành phẩn cấu tạo, trung tâm hoạt động thường bao gồm các acid amin có nhóm hóa học có hoạt tinh cao như nhóm -O H cùa serin, nhóm -SH cùa cystein, nhóm Im id azo l c ù a h istid in đ â y là n hữ n g nhóm phân cự c h o ặc ion hóa, c ó k h á n ăn g tạo liên kết hydro hoặc ion với cơ chất

v ề quan hệ giữa trung tâm hoạt động và cơ chất, có hai gia thuyết được đưa ra:

- Thuyết “ổ khóa và chia khóa” : Fisher E (1890) đã đưa ra thuyết “ồ khóa và chia khóa” về tác động cua enzym Sự tương tác giữa enzym E và cơ chất s nghĩa là

sự gắn giữa enzym và cơ chất đế tạo thành phức hợp enzym cơ chat ES giống như quan hệ giữa “ồ khóa" và “chìa khóa” nghĩa là enzym nào chi xúc tác cho đúng cơ chất đó Thuyết này chi giai thích được tinh đặc hiệu tuyệt đối của enzym, không giài thích được tính đặc hiệu tương đối cùa enzym

- Thuyết “ mô hinh cảm ứng không gian” : đề giải thích tính đặc hiệu tương đối cùa enzym, Kosland D (1958) đã đưa ra thuyết “ mô hình cảm ứng không gian” Theo thuyết này, trung tâm hoạt động của enzym có tính mềm déo và linh hoạt, có the biển

ổi về cấu hình không gian trong quá trinh tương tác với cơ chất đê có thể tạo thành phức họp enzym -cơ chat ES

Hình 2.1 Mô hình Fisher (a) và mô hình Koshland (b)

^ ^ ^ 0 chát

‘ Enzyme

a)

4.3 Các (lụng cấu trúc cùa ph â n tử enzym

4.3.1 Enzym đơn chuỗi và enzym đa chuỗi

Enzym đơn chuỗi là enzym chi có một chuỗi polypeptid tạo nên, ví dự ribonuclease, lipase, pepsin, chymotripsin

Enzym đa chuỗi là enzym có 2 hoặc nhiều chuỗi polypeptid cấu tạo nên, ví dụ aspartat transaminase: 2 chuỗi, alkalin phosphatase: 2 chuỗi, lactat dehydrogenase:

4 chuồi

4.3.2 E m ym dị lập thê

Enzym dị lập thể là enzym ngoài trung tâm hoạt động còn có m ột vài vị trí dị lập thể Trung tâm hoạt động tiếp nhận cơ chất để hoạt động xúc tác cho phàn ứng enzym trong khi trung tâm dị lập thể tiếp nhận yếu tố dị lập thề để điều chinh hoạt động xúc tác cùa enzym về cấu tạo phân từ, enzym dị lập thế có thể là loại enzym đơn chuỗi hoặc loại enzym đa chuỗi Enzym dị lập thể có thể có loại dị lập thề dương, loại dị lập thể âm hoặc có cả hai

Khi vị tri dị lập thể dương tiếp nhận yếu tố dị lập thể dương A (chất hoạt hóa- activator) thì cấu hình enzym được thay đối theo hướng có lợi hơn, enzym được hoạt hóa, ái lực của enzym với cơ chất tăng lên, enzym gắn với cơ chất để tạo thành phức hợp enzym cơ chất tốt hơn, tốc độ phản ứng tăng lên

Khi vị trí dị lập thể tiếp nhận yếu tố dị lập thề âm I (chất ức chế - inhibitor) thì cấu hình enzym thay đối theo hướng có hại, enzym bị ức chế, ái lục cúa enzym với cơ chất giảm nên tốc độ phàn ứng giảm đi

4.3.3 Các dạng phân từ cua enzym (isoenzym hoặc isozym)

Trong cùng một loài, cùng một cơ thế, có những enzym tuy cùng xúc tác một loại phản ứng hóa học nhưng lại tồn tại dưới những dạng phân tử khác nhau, có những tính chất vật lý, hóa học khác nhau Các dạng phân tử khác nhau cùa một loại enzym được gọi là isoenzym hay isozym Ví dụ phân từ lactat dehydrogenase (LD H ) do bốn tiểu đơn vị, mỗi tiểu đơn vị là một chuỗi polypeptid cấu tạo nên, các chuỗi này gồm hai loại do 2 gen tổng hợp nên: chuỗi nguồn gốc tìm (H) và chuỗi nguồn gốc cơ (M)

Vì LDH là một tetramer được cấu tạo bởi bôn chuôi polypeptid nên sự tô hợp giữa 2 loại chuỗi đã tạo thành 5 dạng phân tử (isozym) của LDH (L D H |-L D H 5) khác nhau trong đó LDH| được gọi là isozym kiểu tim và LDH5 là isozym kiểu gan Các isozym này có hằng số M ichaelis (Kra) và tốc độ phàn ứng tối đa (Vmax) khác nhau

4.4 Các tiền chất của enzym

Một số enzym sau khi được tổng hợp còn ở dạng chưa có hoạt tính (dạng không hoạt động) được gọi là các tiền enzym (proenzym hoặc zymogen) Các tiền chất này khi được bài tiết vào môi trường khắc nghiệt cùa cơ thể sẽ chịu tác dụng thủy phân của môi trường, bị thủy phân một đoạn polypeptid vốn che lấp trung tâm hoạt động để bảo

vệ trung tâm hoạt động, làm cho enzym được hoạt hóa, trở nên dạng enzym chính thức

có hoạt tính

4.5 P hức hợp đa enzym

Phức hợp đa enzym là m ột phức hợp gồm nhiều các phân từ enzym khác nhau nhưng có liên quan với nhau trong một quá trinh chuyền hóa nhất định, kết tụ với nhau thành một khối nhiều enzym Không thể tách riêng từng enzym trong phức hợp đa enzym vì nếu bị tách ra các enzym riêng biệt trong phức hợp đa enzym sẽ bị biến tính

và mất hoạt tính Sự kết tụ các enzym tạo thành phức hợp đa enzym có tác dụng tàng cường sự cộng tác cùa các enzym khác nhau trên một quá trình hoặc một chuỗi chuyển hóa gồm nhiều phàn ứng, làm tăng hiệu lực và hiệu quả xúc tác

Ví dụ: phức hợp đa enzym pyruvat dehydrogenase xúc tác phản ứng khứ carboxyl oxy hóa acid pyruvic tạo acetyl CoA Chuỗi phản ứng này được xúc tác bới phức hợp đa enzym gồm pyruvat dehydrogenase, dihydrolipoyl transacetylase và pyruvat dehydrogenase dehydrogenase với 4 coenzym là thiamin pyrophossphat (TPP), acid lipoic, coenzym A và N A D +

s C ấ u tạo và tá c d ụ n g c ủ a m ột sổ co e n zym q u a n trọ n g

N hiều loại enzym ừong quá trình xúc tác đòi hỏi phải có sự phối hợp của chất hữu cơ đặc hiệu hoặc ion kim loại tham gia vào cơ chế xúc tác Những chất hữu cơ đặc hiệu và các ion kim loại có vai trò như vậy được gọi là chất phối hợp hay chất cộng tác của enzym (cofactor)

Các chất cộng tác, khi kết hợp vào phân từ enzym đã bổ xung khả năng phán ững và khả nãng xúc tác cho enzym, Thiếu các chất này, enzym thường không hoạt động được, các chất này có thể gắn chặt vào phân tử enzym hoặc cũng có thể chỉ kết hợp lỏng lẻo với enzym Hiện nay, người ta gọi những chất này là coenzym

Coenzym thường hoạt động với số lượng rất nhỏ so với lượng cơ chất và sau phán ứng thường trở lại trạng thái ban đầu để tiếp tục tham gia phản úng Một coenzym có thể kết hợp vói nhiều loại enzym trong các phản ứng hóa sinh

v ề cấu tạo hóa học, nhiều coenzym cso cấu trúc cùa một nucleotid đơn hoặc đôi hoặc một phần cấu tạo cùa coenzym là cấu trúc nucleotid, một số Coenzym là những nhóm hem Coenzym có liên quan chặt chè với nhiều loại vitamin Trong thành phần cấu tạo cùa nhiều loại coenzym có chứa vitamin

Dựa theo cơ chế tac dụng của coenzym, chia coenzym ra làm 2 loại:

5 1 C oenzvm oxy hoá k h ử

* Các coenzym Niacin (nicotinic acid- vitamin Bj) gồm 2 loại

Nicotinamid Adenin Dinucleotid (NAD )

Nicotinamid adenin dinucleotid phosphat (NADP )

+ Cấu tạo: 1 phân từ nicotinamid (vitamin B5); 1 phân từ adenin; 2 phân từ ribose; 2 phân tư acid phosphoric Riêng NADP có thêm một gốc photphat thứ ba NAD nhiều gấp 10 lần NADP NAD ' thường tham gia vào phàn ứng oxy hoá khứ, NADP tham gia vào phán ứng sinh tống hợp Các coenzym này tham gia vào phàn ứng liên quan đen liên kết đôi giữa c và N, giữa c và c Là coenzym phối hợp với nhiều enzym oxy hóa khứ (dehydrogenase)

Hình 2.2 Cấu tạo và CO' chế tác dụng của coenzym NAD*

s C O N H i

+ H- + 2 r

O N H j

+ Cơ chế hoạt động: 2 coenzym này giống nhau, c 4 cùa nhân nicotinamid có khả năng nhường hoặc nhận một nguyên tử hydro Nhân pyridin bị khử còn 2 liên kết đôi N guyên tử nito m ất điện tích dưcmg

* Các coenzym Flavin (vitamin B2): FMN, FAD

1

CHj CHOH

¿HOH CHOH

¿ H ,

rr o <

O ' - i - O - P - O - C H , n

NH,

* Cơ chế tác dụng cua Flavin: đầu tiên một nguyên tứ hydro gắn vào nguyên tư

ni tơ (N |) ớ vị trí so 1 cua flavin và làm giám đi một liên kết đôi, nhân này mang một điện tư độc thân ờ N5 Sau đó một nguyên tú hydro nữa kết hợp vào vị trí N5 tạo nên coenzyni dạng khứ

Hình 2.4 Co’ chế hoạt động của coenzym FAD

* Acid lipoic: là acid béo có chứa nhóm sulfur, là hợp chất quan trọng trong chuyển hóa chat Acid lipoic tham gia vào phàn ứng khứ carboxyl oxy cua acid pyruvic và acid a cetoglutanc Thường phối hợp cùng các coenzym

- Cấu tạo: Acid lipoic là I11Ộ1 disulfur vòng có chứa một nhóm -COOH Nhóm carboxyl này thường được amin hoá hoặc gan với enzym

Tác dụng: Vận chuyến hydro cùa acid lipoic có liên quan đến sự mờ hoặc đóng vòng disulfur Là coenzym vừa khứ carboxyl vừa oxy hoá

Thường gặp là dạng kết hợp với thiamin pyrophosphat

Hình 2.5 Cấu tạo và tác dụng của acid lipoic

D ih y d r o lip o ic acếơ o

5.2 Coenzvnt vận chuyển nhóm

* Pyridoxal p h o sp h at: Là coenzym cùa nhiều enzym trao đổi ainin (transaminase)

Hình 2.7 Co’che hoạt động của coenzym pyridoxal phosphat

* Thiamin pyrophosphat (TPP): Coenzym xúc tác khừ C 02 Là coenzym vận

chuyển nhóm acetaldehyd hoạt động của enzym khứ carboxyl của acid a cetonic Ngoài

ra, TPP còn phối hợp với các transcetolase trong các phản ứng vận chuyển các đơn vị carbon trong chuyền hóa glucid và alcohol dehydrogenase (ADH); aldehyd

dehydrogenase (ALDH) là hai enzym tham gia vào quá trinh oxy hóa rượu nên ờ bệnh

nhân nghiện rượu nặng có thể có hiện tượng thiếu Vitamin B ]

Phản ứng quan trọng nhất là sự khử carboxyl oxy hoá acid pyruvic và acid a

cetoglutaric N hóm acetaldehyd hoạt động được tạo ra và gắn vào c2 cùa vòng thiazol theo công thức:

* C oenzym A (CoASH): là Coenzym vận chuyển gốc acid hữu cơ, đặc biệt là

gốc acid acetic Nhóm hoạt động là -SH

N hóm - SH có khả năng kết hợp với gốc acid acetic hoặc gốc hữu cơ khác tạo liên kết giàu năng lượng dưới dạng acetylCoA hoặc acylCoA (R-CO~SCoA)

6 Co’ chế xúc tác của enzym

Hình 2.8 Năng lirọng hoạt hóa cùa các phản ứng phát năng

M ọi phản ứng, kề cả phản ứng phát năng về nguyên tắc có thể tự xảy ra, đều cần cung cấp năng lượng đe đưa các phân tử tham gia phản ứng lên trạng thái kính thích, khi đó những va chạm giữa chúng trở thành những va chạm có hiệu quả và phán ứng xảy ra Năng lượng đó được gọi là năng lượng hoạt hóa

Năng lượng hoạt hóa càng thấp thì phàn ứng càng dễ xảy ra, vi năng krụng đó

dễ được cung cấp Cách làm giảm năng lượng hoạt hóa của enzym là enzym kết họp với cơ chất để tạo thành phức hợp enzym cơ chất (E-S) qua trạng thái chuyển tiếp E-

s, bằng những tương tác, tạo ra các liên kết yếu nhờ năng lượng hoạt hóa thấp, đồng thời giải phóng ra năng lượng tự do Vì vậy các phàn ứng enzym dễ dàng xảy ra trong điều kiện nhiệt độ sinh lý của cơ thể

6.2 Đ ộng học enzvm

* Tốc độ của phản ứng enzym: là lượng cơ chất bị biến đổi dưới tác dụng của

enzym ấy trong m ột phút ở nhiệt độc 25°c dưới các điều kiện được chuẩn hóa

* Đơn vị đo tốc độ phản ứng enzym: đơn vị hoạt độ enzym được thể hiện bằng đơn vị quốc tế (International Units, IU hoặc U) và được định nghĩa là lượng enzym làm biến đồi lịim ol cơ chất thành sản phẩm trong I phút ở 25°c dưới các điều kiện đã được chuẩn hóa

* Tốc độ ban đầu:

Tốc độ ban đầu của phản ứng enzym (được ký hiệu là v) có nồng độ enzym, nồng độ cơ chất, ở m ột nhiệt độ và pH nhất định, là tốc độ phản ứng enzym ở những phút đầu tiên của phản ứng, khi mà tốc độ phản ứng chua bị ánh hường bời sự thay đổi của nhiệt độ, pH, nồng độ sản phẩm phàn ứng, tốc độ ban đầu tãng lên một cách tuyến tính, sau đó giảm dần Hoạt độ enzym chỉ được đo một cách chính xác ờ tốc độ banđầu, nghĩa là đo trong khoáng 5 phút đầu tiên cùa phản ứng

* Tốc độ cực đại:

Với nồng độ enzym thích hợp, nhiệt độ và pH thích hợp, khi nồng độ cơ chấttăng lên thì tốc độ phản ứng đạt tốc độ tối đa (Vmax)

* Thuyết M ichaelis-M enten

Năm 1913, M ichaelis và Menten đã đề ra giá thuyết về vai trò cùa nồng độ cơ chất trong việc hinh thành phức hợp enzym-cơ chất

Sự liên quan nói chung giữa enzym, cơ chất và sản phẩm phàn ứng được thề hiện bằng phương trinh sau:

E + s ES - > E + P

k-1

G ià thuyêt của M ichaelis-M enten về sự liên quan giữa tốc độ phán ứng và nồng

độ cơ chất được tính toán theo phương trình M ichaelis-Menten (hình 5.9)

Khi nồng độ cơ chất thấp hơn Km rất nhiều, nghĩa là so lượng enzym vượt quá

số lượng cơ chất, trong phương trinh M ichaelis-Menten, ta có thể bỏ [S] ở m ẫu số, phương trinh trờ thànli dạng v=V max[S]/Km, đây là phương tình tuyến tính dạng y=ax, nghĩa là tốc độ phản ứng chi phụ thuộc vào nồng độ cơ chất

KJii nồng độ cơ chất lớn hơn Km rất nhiều thi có thề bó Km ờ m ẫu số của phương trình M ichaelis-Menten và phương trinh này trờ thành dạng V=vmax, có nghĩa

là tốc độ phản ứng đạt tốc độ tối đa, lúc này tất cà các phân từ enzym đều bão hòa cơ

c h ấ t, phản ứng đạt động học “bậc không”, bởi vi dù có tiếp tục tăng nồng độ cơ chất thì tốc độ phản ứng cùng không thay đồi và lúc này tốc độ phán ứng chi phụ thuộc vào nồng độ enzym

Ỷ nghĩa cùa K„,

- K m là hằng số tổng hợp của các hằng số tốc độ, có giá trị bằng nồng độ cơ chất

cần thiết để tốc độ phản úng bằn ‘/2 tốc độ tối đa, Km được tính bằng mol/L

- Km là hằng số đặc trưng của mỗi enzym đối với mỗi cơ chất, nó thể hiện ái lực của enzym đối với cơ chất Km càng nhỏ, ái lực cüa enzym đối với cơ chất càng lớn vi

chi cần m ột lượng cơ chất rất nhò , tốc độ phàn ứng đã đạt Vì tốc độ tối đa, Km càng

lớn, ái lực của enzym đối với cơ chất càng nhò vi cần một lượng lớn cơ chất tốc độ phản ứng mới đạt '/2 tốc độ tối đa

- M uốn đạt được v max, nồng độ cơ chất phái >100 lần Km

Kh,: Hẳng số M ichaelis-M enten của enzym với cơ chất

Phương trình và đồ thị Linevveaver-Burk

V m ax rất khó có thế được xác định một cách chính xác từ đồ thị hyperbol cùa Michaelis-Menten Vi vậy, Lineweaver-Burk đã cải tiến phương trình Michaelis- Menten bằng cách nghịch đảo phương trình này và thu được dạng tuyến tính y=ax + b như sau:

-►

- ! = - £ » = — + -1—

V ^ max t^ J ^ max

Ý nghía của đó thí Linew eaver-Burk

Đồ thị này đã biến đồ thị hyperbol

định loại chắt ức chế cạnh tranh hay

không cạnh tranh đối với m ột enzym

độ tối đa (Vmax)

* Nồng độ cùa em ym

Do enzym xúc tác những phán ứng sinh lý, nên nồng độ enzym [E] tác động đến phản ứng xúc tác: tốc độ của phản ứng tỷ lệ thuận với nồng độ enzym N ồng độ enzyin càng cao, phản ứng càng nhanh vi có nhiều enzym có m ặt được kết hợp vói cơ chất Trong điều kiện này, nồng độ enzym tỷ lệ thuận với sản phẩm tạo thành (P)

* Nhiệt độ:

Thường thì sự tăng nhiệt độ làm tăng tốc độ cúa phản ứng enzym Mỗi enzym

có nhiệt độ hoạt động tối ưu riêng Thường nhiệt độ tối ưu đối vói hoạt động cùa enzym là nhiệt độ sinh lý Lượng enzym bị biến tính tăng theo sự tăng nhiệt độ và thường rõ rệt ở nhiệt độ từ 40°c tới 50°c và sự biến tính xảy ra ờ những nhiệt độ cao hơn Thời gian tiếp xúc với nhiệt độ cũng ảnh hướng đến sự hoạt động của enzym Enzym có thể chịu được nhiệt độ cao hom trong thời gian ngắn

Do sự nhậy cảm cùa enzym đối với nhiệt độ, nên việc xét nghiệm các enzym cần được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ được kiểm soát nghiêm ngặt Nhiệt độ ù enzym cần được chinh xác trong giới hạn ±0, l°c Tại các phòng xét nghiệm thông

thường, nhiệt độ lám xét nghiệm các enzym có thể là 25°c, 30“c hoặc 37°c Tuy

nhiên, các phòng xét nghiệm ở các nước tiên tiến, nhiệt độ áp dụng phố biến là 37°c

Các m ẫu huyết tương có thề được bảo quàn ở nhiệt độ trong tù lạnh từ (0°C-

4°C) hoặc đông lạnh trong một thời gian nhất định cho đến khi phân tích mà không bị

m ất hoạt tính Tuy nhiên, không nên đông lạnh rồi lại đem tan ra nhiều lần bời vì điều

này có thề gây biến tính protein

* p H m ôi trường

Bàn chất cùa các enzym là các protein nên chúng mang điện Các mức độ pH

khắc nghiệt có thể gây biến tính enzym hoặc ảnh hường đến trạng thái ion hóa cùa

enzym, gây nên sự thay đồi cấu trúc hoặc thay đối điện tích trên các gốc acid amin ờ

trung tâm hoạt động

Tên enzym pH thich hợp Hình 2.11 Ảnh hưỏng của pH

Vì vậy, mỗi enzym chi hoạt động trong một giới hạn pH khoáng từ 7-8, nhưng

một số enzym hoạt động trong m ột giới hạn pH rộng hơn m ột số enzym khác Trong

phòng thí nghiệm , phải được kiểm soát m ột cách chặt chẽ ờ pH tối ưu bằng những

dung dịch đệm thích hợp M ỗi enzym có m ột pH tối ưu để phàn ứng enzym đạt vận tốc

xúc tác tối đa

* c 'hất hoại hoá

Là chất khi làm tăng hoạt tính cùa enzym hoặc làm cho enzym ờ trạng thái

không hoạt động trờ thành trạng thái hoạt động Các chất hoạt hóa thường là các phân

tử nhỏ hoặc các ion Cơ chế hoạt động của các chất hoạt hóa là tạo ra m ột vị trí hoạt

động tích điện dương để có thể tác động vào các nhóm tích điện âm của cơ chất

Ion M g' Ca'*, M n++ kích thích phosphatase kiềm , c r hoạt hóa amylase

* N hững chất ức chế

N hững phàn ứng enzym có thể không tiến hành bình thường nếu có mặt một

chất đặc hiệu, chất ức chế Gồm 3 loại:

+ ứ c chế cạnh tranh

N hững chất ức chế cạnh tranh (compelilive inhibitor) là những hợp chất có cấu

trúc tương tự như cơ chất của enzym I1Ó có thề cạnh tranh với cơ chất để gắn vào

trung tâm hoạt động của enzym Như vậy enzym có thể kết hợp hoặc với cơ chất hoặc với chất ức che (I-inhibitor) theo phương trinh sau:

+ s E - s —> E + pE

+ 1 ^ E IPhương trinh trên thể hiện: enzym trong phức hợp E-I không có hoạt động xúc tác enzym (tức phức hợp không hoạt động), phức hợp E-S mới có thể hoạt động tạo ra sán phẩm (P)

ứ c chế cạnh tranh có nhiều ứng dụng y học, ví dụ cồ điển là sulfamid, m ột chất chong vi khuẩn

Hình 2.12 Sự tưong tự về cấu trúc giữa acid paraam inobenzoic

và một họp chất của họ sulfam id

Acid para-am inobenzoic Sulfanilam idChất ức chế cạnh tranh cũng được ứng dụng vào hoá học trị liệu chống ung thư nhờ những chất có cấu trúc tương tự như các base purin hoặc Pyrim idin (thành phần của các acid nucleic) Những chất ức chế cạnh tranh của base purin có tác dụng ức chế

sự tổng hợp acid nucleic, ức chế quá trinh phân chia tế bào (tuy nhiên những chất này cũng tác dụng với các tế bào lành)

+ ứ c chế không cạnh tranh

Những chất ức chế không cạnh tranh (non com petitive inhibitor) gắn vào

enzym, (nhưng ờ vị tri khác, không phải là vị tri hoạt động của enzym ) do đó không có cạnh tranh với cơ chất ờ vị trí này Sự gắn này gây nên sự thay đổi cấu hình không gian cùa cấu trúc phân tử enzym, làm cho trung tâm hoạt động bị thay đổi, không thể tiếp nhận được cơ chất, nếu có tiếp nhận được cơ chất cũng không thể biến đổi cơ chất thành sản phẩm Sự tăng nồng độ cơ chất không ảnh hướng đến sự gắn của chất ức chế vào enzym nên không khắc phục được tỉnh trạng ức chế bằng cách tăng nồng độ cơ chất Ví dụ: các ion kim loại nhu chi, thủy ngân

Ví dụ: Thuốc hạ áp nhóm ức chế men chuyển có tác ức chế quá trinh biến đồi

angiotensin I thành angiotensin II Allopurinol điều trị hạ acid uric do ức chế enzym

xanthin oxidase

+ ứ c chế p h i cạnh tranh

Một kiểu ức chế có khả năng thuận nghịch khác được gọi là ức chế phi cạnh tranh Sự ức chế này xày ra khi chất ức chế gan vào phức họp E-S ớ m ột vị trí khác với

trung tâm hoạt động để hình thành phức hợp enzym-cơ chất-chất ức chế mà không tạo

ra sán phẩm

Ví dụ: Lansoprazole là thuốc ức chế bơm H+/K+-ATPase được sừ dụng trong điều trị loét dạ dày

8 Ý nghĩa lâm sàng của các xét nghiệm enzym

Việc xác định bất cứ một xét nghiệm nào chi cho thầy thuốc những thông tin hạn chế về tình trạng bệnh lý cùa m ột cơ quan hoặc hệ cơ quan Thông thường một nhóm gồm nhiều xét nghiệm enzym được cùng sử dụng nhàm góp phần vào việc chấn đoán và theo dõi điều trị một số bệnh thuộc cơ quan khác nhau Tuy nhiên, người ta cũng giới hạn ớ mức độ cần thiết với tính đặc hiệu của enzym can xét nghiệm, đề giảm ành hướng đến sức khoé và giảm chi phí cho bệnh nhân về tiền làm xét nghiệm

N 1 E nzvm trong các bệnh tim m ạch

Nhồi máu cơ tim (N M CT) xẩy ra khi có sự giảm đột ngột lưu lượng máu ờ vùng

cùa mô cơ tim Thường N M CT là do xơ vữa động mạch cùa động mạch tim Sự vỡ

mảng xơ vữa thường làm trầm trọng thêm bệnh ờ bệnh nhân NMCT Do có sự ngừng lưu lượng máu, cơ tim bị thiếu máu cục bộ, dẫn đến hoại tử và cuối cùng những chất ờ trong tế bào được giải phóng vào tuần hoàn máu, phán ảnh tồn thương cùa cơ tim

N hững enzym phồ biến, thường được dùng trong chẩn đoán NMCT là: creatin kinase và các isoenzym của creatin kinase, lactat dehydrogenase, aspartat

am inotransferase

8.1.1 Creatin kinase (CK)

Creatin kinase (EC 2.7.3.2) còn gọi là creatin phosphokinase là một enzym dime

CK xúc tác phản ứng phosphoryl hoá creatin (Cr) nhờ adenosin triphosphat (ATP) đề tạo thành phospho creatìn (creatin phosphat) và adenosin diphosphat (ADP) theo phương trinh:

Hình 2.13 Tác dụng của enzym creatin phosphokinase

N - C H j- C O O * CM*

cre a tin e p h o sp h a te