Bg hoa sinh 1 phan 2 9399

Sự kết hợp giữa Hem và Globin để tạo thành HemoglobinMỗi chuỗi Polypeptid của Globin kết hợp với một Hem qua liên kết phôi trí giữa Fe2+ của Hem với nitơ N trong nhân imidazol của acid a

CHƯƠNG 5

HÓA HỌC HEMOGLOBIN

MỤC TIÊU

1 MÔ tả cấu tạo hóa học và nêu cách phân loại, tính chất của hợp chất Porphyrin

2 Mô tả cấu trúc hóa học của Hem và Globin

3 Trình bày, giải thích sự kết hợp giữa Hem và Globin

5 Nêu được tính chất hóa học và các vai trò sinh lý quan trọng của Hemoglobin trong cơ

1 ĐẠI CƯƠNG

1.1 Cromoprotein

Cromoprotein là một loại protein phức tạp có nhóm ngoại là chất màu

Cromoprotein được chia thành hai loại :

- Cromoprotein với nhóm ngoại không chứa nhân Porphyrin

Thí dụ:

Flavoproteiir nhóm ngoại chứa Riboflavin

Feritin : nhóm ngoại chứa Fe

Hemocyamirr nhóm ngoại chứa Cu

- Cromoprotein với nhóm ngoại chứa nhân Porphyrin (Porphyrinoprotein)

Thí dụ:

Hemoglobin: sắc tô" đỏ của hồng cầu.

Myoglobin: sắc tô" hô hấp chứa trong tế bào cơ của động vật.

Clorophyl: diệp lục tô" trong thực vật, đóng vai trò quan trọng trong sự quang hợp.

Cytocrom: enzym vận chuyển điện tử trong các phản ứng oxy hóa khử của chuỗi hô hâp tế

bào

Cãtalase: enzym tham gia các phản ứng oxy hóa khử sinh học.

1.2 Porphyrin

1.2.1 Cấu tạo hóa học

Porphyrin có nhân cơ bản là Porphin, cấu tạo bởi 4 vòng pyrol (dị vòng 5 cạnh) liên kêt với nhau qua 4 cầu nốì methylen (- CH=)

Trong phân tử porphin :

- Các vòng pyrol được đánh sô" I, II, III và IV theo chiều kim đồng hồ

- Các cầu methyỉen được ký hiệu oc, p, y, ô

- Vị trí của các nhóm thế trên khung phân tử được đánh sô" 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 và 8.

C H - CH

Tùy loại và vị trí của nhóm thế, ta có nhiều loại Porphyrin khác nhau.

Sau đây là công thức cấu tạo của một sô" dẫn xuất Porphyrin thường gặp trong y học:

1.2.2 Tính chất

- Có màu, có phổ hấp thu đặc trưng ở vùng tử ngoại hay khả kiến (do có hệ thống nôi đôi tiêp cách)

- Độ tan phụ thuộc sô" lượng nhóm carboxyl thế Ví dụ:

Uroporphyrin có 8 nhóm carboxyl nên tan rất tốt trong nước

Protoporphyrin chỉ có 2 nhóm carboxyl nên ít tan trong nước, tan nhiều trong lipid

- Dễ tạo phức với ion kim loại (nhờ hai nguyên tử H gắn với hai nguyên tử N thuộc nhân pyrol II và IV rất linh động và dễ bị thay thế bởi các ion kim loại có hóa trị 2), do đó protein nhóm này được gọi là Metaloprotein

Thí dụ:

Trong Hemoglobin, Myoglobin, Cytocrom, Catalase: Porphyrin kết hợp với Fe2+

Trong Chlorophyll Porphyrin kết hợp với Mg2+

- Có tính kiềm yếu (do nguyên tử N trong các nhân pyrol) đồng thời cũng có tính acid (do nhóm -COOH ở mạch nhánh) Điểm đẵng điện khoảng 3 - 4,5

2 HEMOGLOBIN (Hb)

Hemoglobin ký hiệu là Hb, còn gọi huyết sắc tố hay huyết cầu tố, là một Cromoprotein thuộc nhóm Porphyrinoprotein có màu đỏ, hiện diện trong hồng cầu của các động vật cao câp, đóng nhiều vai trò sinh lý quan trọng trong cơ thể

Hemoglobin kết tinh dưới dạng những tinh thể khác nhau tùy theo mỗi loài động vật

Hồng cầu người chứa khoảng 32% Hemoglobin, tương ứng với 15g trong 100 ml máu

2.1 Cấu tạo hóa học

Hemoglobin gồm có hai phần:

- Protein thuần: Globin

- Nhóm ngoại: Hem

2.1.1 Hem

Hem là hợp chất gồm có nhân Protoporphyrin IX gắn với sắt hóa trị II (Fe2+)

Fe2+ nằm ở trung tâm nôi với 4 nguyên tử N của bốn vòng pyrol qua 4 liên kêt nằm trên mặt phẳng của vòng Porphyrin (trong đó có 2 liên kết cộng hóa trị và 2 liên kêt phôi trí)

Fe còn 2 liên kết phôi trí nằm ở vị trí thẳng góc với mặt phẳng phân tử, mỗi liên kêt ở về một phía Các liên kết này có thể kết hợp với chuỗi polypeptid của Globin và một số chât khác (Ơ2, CO)

Hem bị oxy hóa thành Hematin, khi đó Fe2+ biến thành Fe3+ Hematin có thể được tách riêng dưới dạng muôi clorhydrat, thường kết tinh dưới dạng các tinh thể đặc biệt gọi là tinh thể Hemin hay Teichman (được ứng dụng trong pháp y để xác định các vết máu).

- hai chuỗi a mỗi chuỗi có 141 acid amin

- hai chuỗi Ị3, mỗi chuỗi có 146 acid amin

Các chuỗi này gắn với nhau bằng tương tác không cộng hóa trị tạo thành hai dimer (ot|3)i và (ccp)2

Trong cấu trúc bậc II , 80% acid amin của các chuỗi a và p tạo nên 7 đoạn xoắn a helix(chuỗi a) hay 8 đoạn xoắn a helix (chuỗi P) Mỗi đoạn xoắn có chiều dài từ 7 đến 20 acid amin,

được ký hiệu A, B, c theo thứ tự (đoạn xoắn a đầu tiên là A, đoạn xoắn a thứ hai là B và đoạn xoắn a thứ 8 là H) Những đoạn acid amin còn lại không xoắn, nằm giữa nối các

đoạn xoắn , được ký hiệu bởi hai mẫu tự của hai đoạn xoắn ở hai bên (ví dụ: ở giữa đoạn xoắn

A và đoạn xoắn B là đoạn AB không xoắn)

Trong cấu trúc bậc I I I , các chuỗi a và p cuộn khúc tại các đoạn acid amin không xoắn.

Mỗi chuỗi polypeptid xoắn và cuộn khúc kết hợp với một Hem tạo thành một tiểu đơn vị của

Hb Bốn tiểu đơn vị này kết hợp với nhau tạo thành một phân tử Hb có cấu trúc bậc bôn (Tetramer)

về mặt không gian, chuỗi Globin cuộn lại tạo thành một khe kỵ nước chứa Hem Đây chính

là vị trí kết hợp với oxy

Hình 5.6: Các chuỗi polypeptid của Globin

2.1.3 Sự kết hợp giữa Hem và Globin để tạo thành Hemoglobin

Mỗi chuỗi Polypeptid của Globin kết hợp với một Hem qua liên kết phôi trí giữa Fe2+ của Hem với nitơ (N) trong nhân imidazol của acid amin Histidin ở đoạn xoắn a - Helix F (His F8) và

đoạn xoắn a -Helix E (His E7) của mỗi chuỗi Globin ; tạo thành một tiểu đơn vị của phân tử Hb.

His F8 còn gọi là His gần, kết hợp trực tiếp với Fe của Hem, His E7 còn gọi là His xa vì không kết hợp trực tiếp với Fe của Hem, và khoảng cách từ His E7 đến Fe2+ xa hơn so với His F8

Hai liên kết này ở về hai phía của mặt phẳng Protoporphyrin.

Trọng lượng phân tử của Hb là 68.000 Tỷ lệ sắt trong Hb là 0,34%

2.2 Các loại Hemoglobin

Đặc tính chủng loại của Hemoglobin là do phần Globin quyết định

Các Globin khác nhau do thành phần và thứ tự sắp xếp của các acid amin khác nhau

Ngày nay, với kỹ thuật phân tích hiện đại, người ta đã xác định được cấu tạo của Globin thuộc các Hemoglobin bình thường hay bệnh lý

2.2.1 Hemoglobin bình thường:

- Hb G (Gower) (^2 £2) ;có ở phôi thai

- Hb p (Portland) 2 72): có ở phôi thai

- Hb F (Fetal) (ct272): có ở bào thai và trẻ sơ sinh.

- Hb A (Adult) (ot2 P2): có chủ yếu ở người trưởng thành.

- Hb A2 (OÍ2 Ô2): chỉ chiếm 2,5% tổng sô" Hb ở người trưởng thành

Các loại này chỉ khác nhau ở đoạn xoắn F của Globin

Bảng 5.2 Sự khác nhau về thành phần acid amin của HbA, HbA2,HbF tại các đoạn xoắn

Chuỗi

Polypeptid/Hb

Vi trí xoắn

2.2.2 Hemoglobin bất thường (Hb bệnh lý)

Nguyên nhân là do sự thay đổi thành phần và thứ tự sắp xếp của các acid amin trong phân tửGlobin làm thay đổi độ tan và độ bền vững của Hb, ảnh hưởng đến ái lực của Hb đôi với oxycũng như sự vận chuyển oxy đến các tổ chức

Các Hemogỉobin bất thường này là nguyên nhân gây ra một số bệnh lý.

Thí dụ:

• Hb s (d2Ap2S) : Glutamat ở vị trí 6 của chuỗi p được thay bằng valỉn, hồng cầu có dạng lưỡi liềm Hồng cầu bị phá hủy gây bệnh lý thiếu máu tiêu huyết mãn tính, đau kéo dài, đột quị, suythận , hội chứng ngực cấ p

Bệnh HbS có thể được chẩn đoán bằng phương pháp điện di huyết thanh ở môi trường kiềm: HbS di chuyển về anod chậm hơn so với HbA

Hình 5.9: Hồng cầu hình lưỡi liềm (Hbs)

• Hb c (a2AP2C) ' Glutamat ở vị trí 6 của chuỗi p được thay bằng lỵsin,

• Hb M: là hiện tượng Fe luôn ở trạng thái Fe3+tạo thành Methemoglobin Nguyên nhân là sự

khiếm khuyết do di truyền như vài đột biến trong chuỗi a hay p - Globulin, thúc đẩy sự tạo thành Methemoglobin Ngoài ra, còn có thể do sự thiếu enzym NADH - Cytocrom b5 reductase

để biến đổi MetHb (chứa Fe 3+ ) thành Hb ( chứa Fe2+)

• Thalassemia:

Là bệnh huyết giải di truyền xảy ra do mất cân bằng trong sự tổng hợp các chuỗi polypeptid của Globin

- Bệnh a- Thalassemia do có sự bất thường trong tổng hợp chuỗi polypeptid a : Tạo thành Hb

Bart (y 4) và Hb H (p4 ) gây ra bệnh thiếu máu hồng cầu nhỏ nhược sắc, giảm khả năng phân phôi oxy đến mô

- Bệnh (3 -Thalassemia : do có những đột biến trong tổng hợp chuỗi p, nên chuỗi a không thể

tạo thành dạng tetramer bền vững, sẽ kết tủa gây bệnh thiếu máu huyết giải nghiêm trọng trong hai năm đầu sau khi sinh, và thường bị tử vong trong khoảng từ 15-25 tuổi

Hình 5.10: Hồng cầu trong bệnh Thalassemia

2.3 Tính chất của Hemoglobin

2.3.1 Kết hợp với Ơ2

Hb kết hợp thuận nghịch với một phân tử oxygen tạo ra Oxyhemoglobin (H b02)

Sự kết hợp này không chặt chẽ và xảy ra nhanh:

Khi Hb kết hợp với oxy, liên kết phối trí giữa His E7 và Fe2+ bị đứt, một phân tử oxy sẽ thế chỗ His E7 để gắn với Fe2+.

Hình 5.12: Sự kết hợp giữa oxy và HemoglobinMột nguyên tử Fe của Hem gắn với một phân tử Ơ2, nên một phân tử Hb gắn được bôn phân tửO2 Và 1 g Hb gắn được 1,39 ml oxygen

Hb có cấu hình thay đổi tùy thuộc vào trạng thái có gắn với oxy hay không

- c ấ u hình không gắn oxy (Deoxyhemoglobin) được gọi là dạng “căng” hay trạng thái T (Tense), có ái lực yếu đốì với oxy Ở trạng thái này, hai dimer a p tương tác với nhau qua một hệ thông liên kết hydro và liên kết ion, hạn chế sự di chuyển của các chuỗi polypeptid.Sự hình thành các cầu muôi giữa các chuỗi giúp cho trạng thái T của Deoxyhemoglobin được bền vững

- Cấu hình gắn với oxy (Oxyhemoglobin) là dạng “dãn” hay trạng thái R (Relax), có ái lựcmạnh đốì với oxy Ở trạng thái này, các liên kết hydro và ion giữa các dimer bị cắt đứt, các cầumuối bị phá vỡ nên các chuỗi polypeptid di chuyển tự do hơn

Như vậy khi Hb kết hợp với oxy, có sự chuyển từ dạng T sang dạng R

Sự kết hợp thuận nghịch giữa Hb với oxygen chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tô":

• Sự tương tác Hem - Hem:

Đường cong kết hợp với oxy có dạng Sigma cho thấy các tiểu đơn vị có tác động “cộng lực” trong sự kết hợp với oxygen Điều này có nghĩa là sự kết hợp của một phân tử oxygen với một Hem đầu tiên sẽ làm gia tăng ái lực với oxygen của các Hem còn lại trong cùng phân tử Hemoglobin, (ái lực của Hb với phân tử oxygen cuối cùng tăng gâp 300 lần so với oxygen đầu tiên) Đây chính là sự tương tác Hem - Hem

• Phân áp của O2 (pƠ2).

Ở phổi, nhờ pC>2 cao (lOOmmHg), phản ứng xảy ra theo chiều thuận tạo thành HbƠ2 , Hb bão hòa oxygen (khoảng 97% -98% ) theo dòng máu đến các mô

Ngược lại', ở các mô do pƠ2 thấp (40mmHg), phản ứng xảy ra theo chiều nghịch, HbƠ2 bị phân ly nhả O2 để cung cấp cho các mô sử dụng trong quá trình chuyển hóa

Do đó, Hb đóng vai trò sinh lý quan trọng là vận chuyển oxygen từ phổi đên các tổ chức.Máu người hàng ngày phải mang 600 lít oxy từ phổi đên các tổ chức, chủ yêu là nhờ Hemoglobin của hồng cầu

91

• Sự thay đổi của pH- Hiệu ứng Bohr

Sự giải phóng oxygen từ Hemoglobin được gia tăng khi pH của máu giảm hay khi phân áp CƠ2 (pCƠ2) tăng Đó là do ái lực với oxygen của Hb bị giảm Đường cong kết hợp với oxy sẽ bị dịch chuyển về bên tay phải Sự thay đổi khả năng kết hợp với oxy này được gọi là hiệu ứng Bohr

• Chất điều hòa 2,3- Diphosphoglycerat (2,3-DPG)

2 ,3 - D P G là sản phẩm trung gian của quá trình thoái hóa Glucid, có nhiều trong hồng cầu Chất này làm giảm ái lực của Hb đốì với oxygen do có khả năng kết hợp và làm bền vững cấu hình T của phân tử Deoxyhemoglobin, kích thích giải phóng O2 ở các tổ chức

Vị trí kết hợp là tại khe hỡ được tạo thành giữa hai chuỗi p, nằm ở trung tâm của phân tử Deoxyhemoglobin

Hình 5.13 : Sự kết hợp của 2,3- Diphosphoglycerat (2,3-DPG) với Hemoglobin

2.3.2 Sự kết hợp với Carbon dioxyd (CO2)

Hb có thể kết hợp và vận chuyển CO2 một cách trực tiếp hay gián tiếp:

K ế t hợp trực tiếp

Hb kết hợp với một phân tử carbon dioxid (CO2) tạo thành Carbohemoglobin (Carbamino- hemoglobin) thông qua nhóm amin (-NH2) tự do của 4 chuỗi polypeptid trong phân tử Globin (chứ không phải qua ion Fe2+ của nhóm ngoại Hem) tạo thành dẫn xuất Carbamat:

Hb - NH2 + C 0 2 "*■ H b - N H - C O O - + H+

Phản ứng này thuận nghịch và xảy ra theo chiều nào là phụ thuộc vào phân áp của CO2

ở mô, phân áp của CO2 cao (pCƠ2 = 46mmHg), phản ứng xảy ra theo chiều thuận,

K ế t hợp gián tiếp

ở mô, dưới tác động của enzym Carbonic anhydrase, CO2 tạo thành H+ theo các phản ứng sau:

Carbonic anhydraseC02 + H20 -i - ĩr H2C 0 3 - _ 2H+ + HCCV

2H+ được tạo thành sẽ kết hợp với Hb vừa phóng thích 4 phân tử oxy để tạo thành 2H+Hb, theo máu để vận chuyển về phổi Proton H+ được phóng thích sẽ ảnh hưởng đến hiệu ứng Borh.

Như vậy, sự tạo thành proton H+, sự giảm pH máu và nồng độ cao của CO2 đã thúc đẩy sự phóng thích O2 và kết hợp với CO2 tại mô.

ở phổi, phản ứng xảy ra theo chiều ngược lại, khi oxy gắn vào deoxy Hb sẽ đẩy H+ ra khỏi

Hb H+kết hợp với bicarbonat giải phóng cc>2,để đào thải ra ngoài theo đường hô hấp.

Như vậy ngoài vai trò vận chuyển O2 từ phổi đến các tổ chức, Hb còn có nhiệm vụ vận chuyển CO2 là sản phẩm chuyển hóa cuối cùng tạo ra ở các tổ chức đến phổi để bài tiết ra ngoài theo đường hô hấp.

2.2.3 Sự kết hợp với Carbonmonoxid (CO)

Hb kết hợp với phân tử Carbon monoxid (CO) tạo thành một hợp chất rất bền vững là Carboxyhemoglobin hay Carbon monoxyhemoglobin (HbCO).

Chất này không còn khả năng vận chuyển oxygen.

Carbon monoxyd gắn vào Hb tại vị trí giông như oxy, nhưng vì c o có ái lực với Hb mạnh hơn

O2 gấp 220 lần, nên nó có thể đẩy chất này ra khỏi HbŨ2 dễ dàng:

Hb + CO - HbCO

C a rb o x y h e m o g l o b i n

HbCO hiện diện trong cơ thể gây ngộ độc nặng Song một lượng lớn oxygen có thể làm phân

ly hợp chất này (phản ứng xảy ra theo chiều nghịch).

Do đó, muốn điều trị ngộ độc do c o có thể dùng hỗn hợp khí Carbogen (95% O2 + 5% CO2)

để kích thích hô hấp.

2.2.4 Sự oxy hóa Hemoglobin

Nhiều chất oxy hóa (như nitrit, nitrat, clorat, ferricianur, nitrobenzen, polyphenol ) có thể oxy hóa Fe2+ của Hb thành Fe3+ tạo thành Methemoglobin (M-Hb) và giải phóng điện tuf :

Hb ^ =„: — M - Hb + e

-M e th e m o g lo b inM-Hb không có khả năng gắn với O2 nên không còn chức năng hô hấp

Khi có nhiều M-Hb trong cơ thể cũng gây ngộ độc, ngạt thở, da tím tái vì thiêu oxy mô (hộichứng Cyanose, xuất hiện khi nồng độ MetHb > 2,5%)

93

Trong cơ thể có enzym khử M-Hb thành Hb (NADH Methemoglobin reductase), hoặc có thể điều trị bằng cách tiêm các chất khử mạnh như xanh metylen, vitamin c

Bình thường trong hồng cầu có < 2% Met Hb Met Hb có thể tăng trong:

- Ngộ độc bởi các chất oxy hóa

- Thiếu men khử Met Hb do di truyền

- Các bệnh Met Hb máu do các dạng Hb bất thường (HbM)

2.2.5 Tính chất enzym của Hemoglobin

2.2.5.1 Tính chất của Peroxidase

Hb có tính chất xúc tác giông enzym Peroxydase, nghĩa là có khả năng xúc tác phản ứng

phân hủy H2O2 :

H b h a y c à ta la s e 2H20 2 - — — ► 2H2 ° + 0 2Tính chất này được ứng dụng để tìm máu trong nước tiểu và trong phân

2.2.5.2 Tính chất của Catalase

H b h a y c a ta la s e 2H20 2 - — — - 2H2 ° + 0 2

CÂU HỎI Tự LƯỢNG GIÁ

1 Chọn một câu trả lời đúng

1) Nhóm nào sau đây đều là Porphyrinoprotein:

a) Hemoglobin, Cytocrom, Flavoprotein, Clorophyl

b) Myoglobin , Hemocyamin, Hemoglobin, Catalasc

c) Cytocrom, Hemoglobin, Myoglobin, Feritin

d) Clorophyl, Myoglobin, Cytocrom, Hemoglobin ,

2) Hemoglobin bất thường có Hem chứa sắt ở dạng Fe3+ là:

c) Glutamat ở vị trí 6 của chuỗi a được thay bằng Lysin, hồng cầu có dạng hình bia

d) Glutamat ở vị trí 6 của chuỗi p được thay bằng Valin, hồng cầu có dạng hình lưỡi liềm f

2 Chọn tập hợp câu trả lời đúng:

4) Trong cơ thể, Hb đóng vai trò:

a) vận chuyển oxygen từ phổi đến các tổ chức

b) vận chuyển CO2 từ tổ chức đến phổi để bài tiết ra ngoài theo đường hô hấp

c) vận chuyển muôi vô cơ và đào thải chất cặn bã

d) tạo hệ đệm trong sự điều hòa thăng bằng acid base trong cơ thể

5) Sự kết hợp giữa Hb và oxy (O2)

a) được tạo thành do phản ứng oxy hóa Hemoglobin

b) không còn chức năng hô hấp vì không thể gắn với oxy

c) gây hội chứng Cyanose

d) sắt vẫn còn hóa trị 2

95

8) Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng kết hợp với oxy của Hemoglobin là:

a) nh iệt độ

b) pH

c) nồng độ CƠ2

d) 2,3 - Diphosphoglycerat

9) Cấu tạo hóa học của Hemoglobin

a) Gồm có phần protein là Globin và nhóm ngọai là H em ,

b) Mỗi chuỗi polypeptid của Globin kết hợp với bốn Hem tạo thành một tiểu đơn vị của phân tử Hb

c) Globin kết hợp với Hem qua liên kết phôi trí

CÂU HỎI NGHIÊN CỨU BÀI HỌC

1) Trình bày sự kết hợp giữa Hem và Globin để tạo thành Hemoglobin

2) Phản ứng kết hợp giữa Hb và O2 Phản ứng này thể hiện vai trò gì của Hb trong cơ thể

3) Phản ứng kết hợp giữa Hb và CO2 Phản ứng ứng này thể hiện vai trò gì của Hb trong cơ thể4) Hãy nêu một sô" dạng Hb bình thường và bất thường có thể hiện diện trong cơ thể

CHƯƠNG 6

HÓA HỌC ACID NUCLEIC

M ự c TIÊU

1 Viết được sơ đồ thủy phân của nucleoprotein

2 Viết được công thức của nucleotid nhân Pyrimidin và Purin có trong ARN và ADN

3 Phân biệt được các liên kết trong nucleosid, nucleotid, nucleosid di và triphosphat

4 Nêu được vai trò nucleotid

5 Nêu được cấu trúc ADN và ARN

6 Biết được các chất có cấu tạo tương tự nucleotid dùng trong hóa trị liệu

1 ĐẠI CƯƠNG

Nucleoprotein thuộc loại protein phức tạp mà thành phần cấu tạo gồm một nhóm ngoạikhông phải là protein (gọi là acidnucleic) gắn với một hay nhiều phân tử protein đơn giản (thường

là protein kiềm nhưprotamin hoặc historì).

Tất cả mọi tế bào sống đều chứa nucleoprotein và những hệ thông đơn giản như virus (siêu

vi trùng) có thành phần cấu tạo hoàn toàn là nucleoprotein Chất nhiễm sắc (cromatin), một thành phần quan trọng nhất của tế bào cũng hoàn toàn gồm nucleoprotein

Nucleoprotein = protein + nhóm ngoại (acidnucleic)

Nucleoprotein

Protein đơn gián (histon hoặc protamin)

Acid nucleic (Polynucleotid)

RibonucleaseDesoxyribonuclease

Mononucleotid

Mononucleotidase

Base ose (Đường)(Purin hoặc Pyrimidin) (Ribose hoặc Desoxyribose)

Hình 6.1 Sơ đồ thủy phân nucleoprotein

97

Người ta phân biệt 2 loại acid nucleic khác nhau tùy theo thành phần cấu tạo của ose trong phân tử acid nucleic:

- A cid ribonucleic (ARN) nếu ose là ríbose

- Acid desoxyribonucleic (ADN) nếu ose là desoxyribose

ARN và ADN có ở tất cả các tế bào, ADN tập trung chủ yếu ở nhân, ARN có nhiều trong tê

bào chất và một phần trong nhân Trong tế bào, acid nucleic không ở dạng tự do mà kêt hợp với protein

2.1 Thành phần cấu tạ o cửa acid nucleic

- Acid nucleic là những chất trùng hợp từ những đơn vị có tên là nucỉeotid, do đó acid nucleic

còn được gọi là poìynucleotid.

- Nucleotid này khác với những đơn phân tử tạo thành những đại phân tử mà chúng ta vừa

học qua (glucose của tinh bột hoặc của glycogen, amino acid của protein) là chúng có thể thủy phân

thành 3 cấu tử: base dị vòng có ni tơ, pentose và acid phosphoric.

Cũng nên nhắc lại ở đây là những nucleotid không những chỉ là những hợp chất trùng hợp của acid nucleic, mà còn là những chất giữ vai trò quan trọng trong sự biến dưỡng trung gian, thí dụ như tích trữ năng lượng (ATP) hay là những coenzym (NAD+, NADP+, FAD, Coenzym A)

Hình 6.3 Nhân Pyrimidin và purin

2.1.2.1 Base có nitơ có nhân pyrím idin

Có 3 loại base có nhân pyrimidin là cytosin, uracil và thymin

Trong A R N có cytosin và uracil, trong A D N có cytosin và thỵmin

Hình 6.4 Các base nitơ nhân pyrimidin

2.1.2.2 Base có nitơ có nhân purin

Purin do kết hợp 2 nhân: pyrimidin và imidazol Hai base chinh tìm thấy trong ARN và ADN là: Adenin và Guanin

Ngoài 2 thành phần khác nhau căn bản về Ribose và desoxyribose của ARN và ADN, người

ta còn thấy sự khác nhau về thành phần của base pyrimidin giữa ARN và ADN

- ARN chỉ có Ưracil, không có Thymin

- ADN chỉ có Thymin, không có Uracil

2.1.3 Nucleosid

Nucleosid là sản phẩm thủy phân không hoàn toàn của acid nucleic Nucleosid gồm 2 thành

phẩn: base purin hay pỵrim idin và pentose Liên kết này nốì nitơ sô 9 của base purin hoặc nitơ sô 1 của base pyrimidin với carbon s ô 'ỉ của pentose, vổi sự loại ra 1 phân tử nước Pentose dưới dạng furanose và liên k ế t osidic dưới dạng ß.

- Với Ribose người ta có Ribonucleosid (hoặc Ribosid)

- Với Desoxyribose người ta có Desoxyribonucleosid (hoặc Desoxyribosid)

* Cấch gọi tên

Nucleosid có nhân pyrím idin mang tên tận cùng là idin

Nucleosid có nhân purin mang tên tận cùng là osin.

Bảng 1: Cách gọi tên nucleosid

Pyrimidin

CytosinưracylThymin

Cytidinưridin

DesoxyadenosinDesoxyguanosin2.1.4 Nucleotid (Mononucleotid hay nucleosidmonophosphat)

Mononucleotid là đơn vị cơ sở của acid nucleic

Mononucleotid được tạo thành khi chức alcoỉ của pentose được ester hóa bởi acid phosphoric

(H3POẠ

Thủy giải H+ yếu Mononucleotid -► Base + Pentose - Phosphat

Thủy giải OH' yếu

Base - Pentose (Nucleosid) + Phosphat

Mỗi ribonucleosid có 3 vị trí có thể phosphoryl hóa (OH ở carbon số 2’, 3’, 5’) Còn Desoxyribonucleosid chỉ có thể phosphoryl hóa ở C 3 - và C 5 ’ Ngoài ra còn có nucleotid vòng khi

H 3 PO 4 ester hóa 2 nhóm OH của pentose cùng 1 lúc (OH ở 2’ và 3’ hoặc ở 3’ và 5’) Quan trọng

nhất là AM P Kỏ/T^tham gia vào nhiều cơ chế khác nhau của sự biến dưỡng.

Hình 6.6 Cấu trúc của nucleotid

cAMP

Hình 6.7 cAMP

Bảng 6.2 Danh pháp nucleosid và nucleotid monophosphat

Guanin

AdenosinGuanosin

Adenosinmonophosphat (AMP) Guanosinmonophosphat (GMP)

Pyrimidin

CytosinUracylThymin

CytidinUridinThymin

Cytidinmonophosphat (CMP) Uridinmonophosphat (ƯMP) Thymidinmonophosphat (TMP)2.1.5 Nucleosid di và triphosphat

Nhiều tổ chức động vật còn có các nucleosid di và triphosphat (thường là những ribonucleosid 5’ di và triphosphat)

101

Một gốc phosphat thứ hai có thể gắn lên gốc phosphat thứ nhất của nucleosid 5’- monophosphat tạo thành nucleosid 5’diphosphat, 1 gốc phosphat thứ ba có thể kết hợp với nhóm phosphat thứ hai để tạo thành nucleosid 5’-triphosphat.

Những nucleosid di và triphosphat tham gia phần quan trọng trong chuyển hóa cắc chất ở cơ

th ể và quấ trình trao đổi năng lượng như ađenosin di và triphosphat.

Nucleotid tham gia vào nhiều phản ứng hay các quá trình sinh học như tổng hợp protein, tổng hợp acid nucleic, cơ chế điều hòa và truyền thông tin Những chức năng sinh học khác nhau của nucleotid như: là chất dự trữ và vận chuyển năng lượng, là coenzym, là chất truyền thông tin thứ hai Các nucleotid đóng vai trò sinh học trong cơ thể như: ATP, GTP, ƯDP, CTP, AMPc, GMPc, adenosin 3’-phosphat-5’-phosphosulphat, S-adenosylmethionin, các coenzym là dẫn chât của adenosin monophosphat

CTP

Hình 6.9 Công thức chung của một số coenzym

Bảng 6.3 Cấu tạo của một sô" coenzym

2.1.7 Các chất tổng hợp có cấu tạo tương tự nucleotid được dùng trong hóa trị liệu

Các chất tổng hợp 'tương tự’giống nhân purin, nhân pyrimidin, nucleosid, nucleotid bằng cách thay đổi trên nhân dị vòng hay trên phần đường được dùng rất nhiều trong điều trị y học Tác dụng chủ yếu của nó là ức chế các enzym trong quá trình tổng hợp acid nucleic hay tham gia trực tiêp vào quá trình tổng hợp nucleic và làm phá vỡ cấu trúc ADN

103

Trong điều trị ung thư người ta sử dụng nhiều các chất ‘tương tự’ tham gia trực tiếp vào quá trình tổng hợp ADN khi tế bào phân chia như: 5-fluoro hay 5-iodouracil, 3-deoxyuridin, 6-thioguanin, 6-mercaptopurin, 5- hay 6-azauridin, 5- hay 6-azacytidin, 8-azaguanin Azathioprin mà chất chuyểnhóa của nó là 6-mercaptopurin được dùng như thuốc chống thải ghép trong ghép cơ quan.

Hình 6.10 Các chất tổng hợp tương tự nucleotid dùng trong trị liệu

2 2 Cấu trúc của acid nucleic

2.2.1 Cấu trúc của ADN

ADN tập trung chủ yếu ở các nhân tế bào, cấu tạo nên các gen Sự hiểu biết đầy đủ về câu

trúc vầ tính chất cha nó sẽ giúp ta hiểu rõ cơ chế của sự di truyền.

- về m ặt câu tạo hóa học, acid nucleic gồm rất nhiều mononucleotid trùng bợp với nhau tạo

thành chuổi polynucleotid

- ADN có phân tử lượng từ 4.000.000 tới 8 x ỉđ và gồm khoảng từ 12.000 đến 25.000

mononucleotidkhác nhau Bằng tác dụng thủy phân bởi các enzym, người ta đã xác định được cách liên kếtgiử a các mononucleotid trong phân tử ADN là liên kết 3 ’-5 ’phosphodiester Hay nói cách

khác, mỗi nhóm phosphat (trừ nhóm phosphat ở cuối dây) được ester hóa bởi nhóm hydroxyl ở C3

của 1 pentose và 1 nhóm hydroxyỉ ở vị trí C5 của pentose kế

T h y m in

H O - 1^ = 0

R 2

Hình 6.11 Liên kết giửa các mononucleotid trong phân tử ADN

- Một đơn vị cấu trúc của ADN bao gồm 2 chuổi polynucleotid xoắn chung quanh một trục

chung theo 2 hướng ngược nhau Hai chuổipolỵnucleotidnối với nhau bởi những liên k ế t hỵdro tạo

giửa 2 base

- Những nucleotid trong mô hình này sắp xếp thẳng góc với trục và cách nhau từng khoảng

3,4 A° Hai sợi ở 2 bên song song với trục là những phân tử desoxỵríbose và acidphosphoricx\ 0 \ tiêp

- Những cầu hydro nốì các base purin và pyrimidin ở 2 dây với nhau theo nguyên lý bổ sung như sau: A nối với T; G nôi với c.

r

H O — 1^ = 0

R 2

Hình 6.12 Liên kết hydro giửa 2 cặp base bổ sung của 1 đoạn ADN

Kết quả nghiên cứu của Chargaff và Bielozecki, người ta thấy có một qui luật chung tỷ lệ

cấc basepurín và pyrim idin trong cấu tạo của ADN như sau:

- Tổng số các base purin = pyrimidin

purin/pyrimidin = 1

- Lượng Adenin = Thymin; A/T = 1

- Lượng Guanin = Cytosin; G/C =1 A + G = c + T

Tổng lượng Guanin + Thymin = Tổng lượng Adenin + Cytosin

(G + T)/(A + C) = 1 ADN của cắc cơ quan động vật khác nhau khác về thành phần hóa học Có trường hợp

Adenin nhiều hơn Guanin hay Thymin nhiều hơn Cytosin Kết quả là tổng số Adenin + Thymin cao

hơn tổng số Guanin + Cytosin; A + T > G + c Những ADN thuộc loại này gọi là ADN loại AT

Có những ADN khác, tổng sô G + c > A + T ADN thuộc loại này gọi là ADN loại GC ADN

loại GC thường thấy ở vi sinh vật, nhất là vi khuẩn vàkhông thấy ở động vật cấp cao

Như vậy tỷ lệ (A + T)/(G + C) thay đổi và có hàm lượng khác nhau, lệ thuộc vào loài; ở vi

trùng lao của chim tỷ sô" này là 0,42 và ở người là 1,53

Tỷ lẹ (A+T)/(G+C) > 1 -> ĐV + TV

(A+T)/(G+C) <1 -> vi khuẩn

So với ADN, ARN có phân tử lượng nhỏ hơn vào khoảng 18.000 - 35.000\ có khi tới

1.500.000 - 2.000.000 và gồm 4.000 - 6.000 mononucleotid khác nhau

Cấu trúc của ARN cũng tương tự như cấu trúc của ADN chỉ khác nhau ở mấy điểm:

- v ề thành phần hóa học thì ribose thay thế desoxyribose, uracil thay thế thymin

- Trong ARN ngoài liên kết 3’-5’ phosphodiester giửa các mononucleotid nối với nhau làchủ yếu thì còn có thể có liên kết 2’-3’phosphodiester (hoặc mạch nhánh)

Phân tử A R N g ồ m m ộ t sợipolynucleotid trong đó có những đoạn của sợi gần nhau có thể

liên kết với nhau theo định luật đôi base bổ sung: A - Ư và G - c để tạo ra câ'u trúc xoắn

Cá biệt cũng có khi ARN có 2 sợipolỵnucleotidxoắn nhau lại.

2.2.2 Cấu trúc của ARN

G— c A— u A— u

A — U

u ° T a y

u G 1

c cG— c

u —A

u —A

Mỗi tế bào sống, động vật, thực vật cũng như vi khuẩn đều chứa 3 loại ARN: A R N ri bosom

(ARNr); A R N vận chuyển (AR N hòa tan ARNt) và A R N thông tin (ARNm).

- A R N r ( A R N ri bosom)

Chiếm 80% tổng sô" ARN, có vai trò như nhà máy tổng hợp protein ARNr là một nucleoprotein có hai tiểu đơn vị, tiểu đơn vị lớn là 60s và tiểu đơn vị nhỏ 40s Tiểu đơn vị 60s có câu tạo gồm ARNr 5S, ARNr 5.8S, ARNr 28S và khoảng 50 chuỗi polypeptid Tiểu đơn vị nhỏ cấu tạo gồm ARNr 18S và gần 30 chuỗi polypeptid

- A R N t ( A R N vận chuyển)

Là ARN vận chuyển có chiều dài thay đổi từ 74-95 nucleotid và chiếm khoảng 10% tổng số ARN Có vai trò dịch mã thông tin của đoạn nucleotid ARNm ra acid amin Có ít nhât 20 loại ARNt cho 20 lại acid amin Cấu tạo của các ARNt khác nhau ở trình tự đoạn polynucleotid nhưng tât cả

ARNt có cấu tạo chung là cấu trúc bậc I (trình tự đoạn polynucleotid) cho phép nó gập lại được và

107

tự kết hợp base nội phân tử tạo ra một cấu trúc bậc II có dạng lá chẻ 3 Tất cả ARNt đều có 4 nhánh chính.

- Nhánh tiếp nhận có đầu tận cùng kết thúc bằng nhóm CpCpAOH Nhóm -COOH của acid amin gắn vào nhóm 3’-OH của Adenin

- Nhánh đối mã có mang 3 nucleotid đôi mã

- Nhánh D, T V ị/ c và nhánh phụ giúp phân biệt các ARNt

Hình 6.14 ARN vận chuyển

Là RNA thông tin với vai trò chuyển thông tin từ gen và làm mẫu cho quá trình tổng hợp protein Là loại ARN đa dạng nhất về kích thước và tính bền Chiếm khoảng 5% tổng số ARN ARNm ở tế bào có nhân có một sô" đặc điểm hóa học riêng Đầu 5’ của ARNm có mang một phân

tử 7-metylguanosin triphosphat và được gọi là mang “mũ”, “mũ” là nơi nhận biết ARNm của bộ phận giải mã, ngoài ra mũ còn ảnh hưỡng đến tính bền vững của ARN m do bảo vệ ARNm khỏi sự tấn công của 5’-exonuclease Bộ máy tổng hợp protein bắt đầu từ đầu 5’ hay đầu có mũ Nhóm hydroxy của đầu 3’ còn lại gắn đoạn polyme của adenin với chiều dài 20-250 nucleotid Chức năng của đuôi poly A này chưa được rõ, nhưng dường như nó bảo vệ cho ARNm khỏi sự tấn công của 3’-

exonuclease Có một số ARNm không có đuôi polyA Vì đuôi polyA có thể cặp đôi với đoạn

oligodeoxythymidin nên đoạn polyme này được gắn vào một cơ chất như cellulose dùng để tách ARNm ra khỏi các ARN khác

CÂU HỎI Tự LƯỢNG GIÁ

Chon môt hay nhiều câu đúng

1 Khi thủy phân nucleotid trong môi trường acid yếu ta thu được

a) Base nitơ, pentose-phosphat

b) Base-pentose, phosphat

c) Nucleosid, phosphat

d) Base nitơ, pentose, phosphat

2 Những chất nào có tên sau đây đều là base nitơ

a) 2-amino-6-oxy purin; 2,4-dioxy pyrimidin; 2,4-dioxy-5-metyl pyrimidin; 6-amino purin

b) 6-amino purin; 2,4-dioxy-purin; 2-amino-6-oxy pyrimidin; 2-oxy-4 amino purin

c) 2-amino~6-oxy purin; 2-oxy-4 amino pyrìmidin; 6-amino pyrimidin; 2,4-dioxy purin

d) 2-oxy-4 amino purin; 2,4-dioxy-5-metyl pyrimidin; 6-amino purin; 2,4-dioxy pyrimidin

3 Những chất nào có tên sau đây đều là Ribonucleosid

a) Cytidin, Ưridin, Guanosin, Adenosin, Thymin

b) Guanosin, Adenosin Cytosin, ưridin

c) Cytidin, ưridin, Guanin, Adenin

d) Guanosin, Cytidin, Uridin, Adenosin

4 Khi thủy phân nucleotid trong môi trường kiềm yếu ta thu được

a) Base nitơ, pentose-phosphat

b) Base-pentose, phosphat

c) Nucleosid, phosphat

d) Base nitơ, pentose, phosphat

5 Các phản ứng trong quá trình thóai hóa nucleotid nhân purin

a) Thủy phân phần đường

8 Trong quá trình thủy phân acid nucleic

a) Nuclease thủy phân liên k ế t

b) Nucleotidase thủy phân liên k ế t

c) Nucleosidase thủy phân liên k ế t

Chon câ u tương ứns

109

TÀI LỊỆƯ ĐỌC THÊMTiếng việt

1 Trường Đại Học Y Hà Nội - Bộ Môn Hóa Sinh Hóa Sinh NXB Y học, 2001

Tiếng nước ngoài

1 Robert K Murray, Daryl K Granner, Victor w Rodwell Harper’s Illustrated

Biochemistry 27th Lange, 2003

2 Peter N Campbell Biochemistry Illustrated 4th edition Churchill livingston, 2000

3 Victor L Davison, Donald B Sittman Biochemistry 3th edition Harwal Publishing,

1994

2 Mô tã được cấu tạo và chức năng của trung tâm hoạt động của enzym.

3 Trình bày được tính đặc hiệu của enzym

4 Giải thích được các yếu tô" ảnh hưỡng đến hoạt động của enzym

5 Trình bày được động học và sự ức chế của enzym

6 Trình bày được sự kiểm soát hoạt động của enzym.

1 ĐẠI CƯƠNG VỀ ENZYM

1.1 Các enzym là những chất xúc tác

Các enzym là các chất xúc tác có tác động làm gia tăng vận tốc phản ứng hóa học

mà không thay đổi tiến trình của phản ứng Nếu không có sự hiện diện của enzym, phảnứng sẽ được thực hiện khó khăn hơn nhiều so với khi có mặt của enzym Khi đó vận tốcphản ứng có thể tăng lên tới 107 lần Thông thường, các phản ứng được xúc tác bởi enzym

có thể được tiến hành trong những điều kiện tương đôi nhẹ nhàng (nhiệt độ dưới 100 độ c ,

ở áp suất khí quyển và pH trung tính) so với các phản ứng hóa học tương tự Mặt khác, các enzym có tính đặc hiệu cao đốì với cơ chất mà nó tác động cũng như đốì với các sản phẩm

mà nó thành lập Ngoài ra, tác động xúc tác của enzym có thể được điều hòa và nó thường nhạy cảm đặc biệt là với nồng độ cơ chất hay với một sô" phân tử khác

Bản chất các enzym là những protein Tuy nhiên, người ta cũng nhận thấy có vài phân tử ARN cũng có tác động xúc tác

1.2 Năng lượng hoạt hóa và trạng thái chuyển tiếp

Sự thay đổi năng lượng của một phản ứng hóa sinh được mô tả ỏ’ hình 7.1 Trong tất cả mọi phản ứng đều tồn tại một hàng rào năng lượng cần phải vượt qua được thì phản ứng mới thực hiên được Hàng rào năng lượng này tương ứng với năng lượng cần thiết để chuyển các phân tử của cơ chä't sang trạng thái chuyển tiếp : một dạng hóa học không bền trong tiến trình phản ứng đi từ cơ chất đến sản phẩm Trạng thái chuyển tiếp là trạng thái trung gian có năng lượng tự do cao nhất trong tất cả mọi phản ứng Năng lượng tự do hoạt hóa của Gibbs (AG*) là chênh lệch của mức năng lượng tự do giữa trạng thái chuyển tiếp

và cơ chất (hình 7.1) Một enzym tác động bằng cách làm ổn định trạng thái chuyển tiêp của phản ứng hóa học với sự giảm ÀG* (hình 7.1) Enzym không làm thay đổi mức năng lượng của cơ chất hay của sản phẩm Như vậy, enzym làm gia tăng tốc độ phản ứng nhưng không ảnh hưởng đến sự thay đổi năng lượng chung của phản ứng

111

Năng lượng tự do

Hình 7.1 Sự thay đổi năng lượng trong một phản ứng hóa sinh

Một thí dụ về mức năng lượng hoạt hóa của phản ứng trong điều kiện có và không có chất xúc tác như sau

Phản ứng Saccarose + H2O - > Glucose + Fructose

1.3 Sự thay đổi năng lượng tự do

Sự thay đổi năng lượng tự do của Gibbs (ÀG ; kJ mol _1) cho biết một phản ứng có thuận lợi về mặt năng lượng hay không Phản ứng trong hình 7.1 là một thí dụ cho thấy với

sự biến thiên năng lượng tổng cộng âm thì phản ứng thuận lợi về mặt năng lượng ( có nghĩa

là các sản phẩm của phản ứng ở mức năng lượng thấp hơn so với mức năng lượng của cơ

chất và AG là âm), c ầ n phân biệt rằng AG thì khác với AG* AG của một phản ứng không

lệ thuộc vào chiều phản ứng và không cho biết thông tin gì về vận tốc phản ứng, trái với

ÀG* ảnh hưởng đến vận tốc phản ứng Một AG âm cho biết phản ứng thuận lợi về mặt nhiệt động học theo chiều chỉ định (có nghĩa là phản ứng tiến hành tự nhiên), trong khi đó với một AG dương cho biết phản ứng không thuận lợi về mặt năng lượng và cần phải được cung cấp năng lượng mới có thể thực hiện theo chiều chỉ định Trong các hệ thông sinh học, việc cung cấp năng lượng thường được thực hiện bằng việc kêt hợp một phản ứng

Để tiện lợi, người ta sử dụng AG được xác định với một sô" điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn : nồng độ ban đầu của tất cả các cơ chất và tất cả các sản phẩm của phản ứng đều lấy là 1,0M và pH là 7 Dưới những điều kiện tham chiếu này, người ta tìm thấy một giá trị khá cao về mặt giá trị tuyệt đối của AG và gọi là AG° Sự thủy giải ATP để thành lập ADP và Pi tự do là một thí dụ quan trọng của phản ứng thuận lợi về mặt năng lượng với giá trị AG° âm lớn Sự thủy giải này thường được sử dụng trong những cặp phản ứng để cho phép những phản ứng không thuận lợi về mặt năng lượng có thể tiến hành được.

ATP + H20 -► ADP + Pi AG° = -30,5kJ mol -1

1.4 Cân bằng hóa học

Một phản ứng hóa học được xem là đạt đến trạng thái cân bằng động học khi những phân tử mới của cơ chất và của sản phẩrti liên tục chuyễn hóa và sản sinh ra nhưng tỷ lệ giữa cơ chất và sản phẩm vẫn là một hằng sô" không đổi

là một hằng sô" không đổi, hằng sô" cân bằng K

Hằng số K của một phản ứng nhất định được định nghĩa theo nhiệt động học là:

[sản phẩm] cb [B] cb

K = - =

-[thuốc thữ ] cb [A] cbTrong ngoặc đơn là biểu thị nồng độ các chất Người ta chấp nhận rằng, đối với các phản ứng hóa sinh, hằng số cân bằng cũng bằng với tỷ lệ giữa vận tốc của phản ứng ban

đầu kf và vận tốc của phản ứng đảo kb

kf IO'4

K = — = — — = 100

Như vậy, ở trạng thái cân bằng của phản ứng trên, nồng độ của B gâp 100 lần A dù

có hay không có mặt của enzym Đốì với các phản ứng thuận nghịch, các enzym không làm thay đổi trạng thái cân bằng nhưng thúc đẩy phản ứng nhanh chóng đạt cân bằng Trong phản ứng trên, khi không có mặt enzym, phản ứng sẽ cần khoảng một giờ để đạt đên cân bằng trong khi nếu có mặt của enzym, phản ứng có thể đạt đến cân bằng trong vòng một giây

1.5 Trung tâm hoạt động (TTHĐ)

TTHĐ của enzym là vùng mà enzym kết hợp với cơ chất và chuyển đổi nó thành sản phẩm của phản ứng

113

Một cách khái quát, TTHĐ là một phần nhỏ của phân tử enzym và đó là một thực thể không gian ba chiều được thành lập bởi các acid amin có thể ở rất xa nhau trên chuỗi

polypeptid Tuy nhiên trong không gian, sự xoắn vòng của chuỗi polypeptid làm cho các acid amin này gần lại với nhau Các acid amin của TTHĐ thường là Serin, Histidin, Tryptophan, Cystein, Lysin, Arginin, Glutamat

TTHĐ thường giông như một khe nứt hay rãnh trên bề mặt phân tử enzym, thành lập một khoảng không gian thường là không phân cực tạo thuận lợi cho việc liên kết giữa enzym và cơ chất

Các cơ chất kết hợp với các TTHĐ bởi nhiều tương tác yếu (tương tác tĩnh điện,

liên kết hydro, liên kết Van der Walls, tương tác kỵ nước), và trong một sô" trường hợp bởi 1

những liên kết đồng hóa trị thuận nghịch

Một khi kết hợp với phân tử cơ chất và sau khi thành lập phức hợp enzym - cơ chất,

các gốc xúc tác có hoạt tính trong TTHĐ của enzym sẽ tác động trên phân tử cơ chất để

trước tiên chuyển chúng sang trạng thái chuyển tiếp rồi sau đó thành sản phẩm phản ứng

và được phóng thích trong dung dịch Enzym tự do kế đó lại kết hợp với một phân tử cơ

chất mới và bắt đầu lại một chu trình xúc tác mới.

Có hai mô hình đã được đề nghị để giải thích về sự kết hợp của enzym với cơ chất của chúng Năm 1894, Emil Fischer đã đề nghị mô hình chìa khóa/ổ khóa trong đó cấu

dạng của cơ chất và TTHĐ của enzym giống như là chìa khóa và ể khóa Hai dạng này

được xem như không thay đổi, cô" định và hoàn toàn ăn khớp với nhau Thuyết này tuy

cũng giải quyết được một số hiện tượng nhưng không giải thích thoả đáng nhiều kết quả

thu được trong thực nghiệm Vì vậy, Koshland (1958) đã đưa ra một giả thuyết khác, hấp dẫn hơn và tế nhị hơn theo thuyết này, thì đặc điểm của vùng TTHĐ là rất mềm dẻo và linh hoạt, các nhóm chức năng của TTHĐ của enzym tự do chưa ở tư th ế sẩn sàng hoạt động Khi tiếp xúc với cơ chất (hoặc một chất kết hợp khác tương tự), thì chính cơ chất, do tác dụng cảm ứng không gian, đã làm biến đổi hình dạng của phân tử enzym và làm cho các nhóm chức năng của TTHĐ của enzym di chuyển và định hướng một cách thích hợp và chính xác để gắn với cơ chất, để thực hiện quá trình xúc tác Trong quá trình này, một sô gốc acid amin khác do sự thay đổi cấu hình không gian của phân tử enzym, có thể bị vùi kín vào trong phân tử Như vậy, có thể nói rằng: TTHĐ của phân tử enzym chỉ thực sự

được hình thành trong quá trình tiếp xúc giữa enzym và cơ chất Do đó, người ta gọi mô hình này là mô hình “tiếp xúc cảm ứng” Trong quá trình này, cấu trúc phân tử enzym bị

biến đổi, đã làm cho một sô' tính chất lý hóa của enzym bị biến đổi theo.

Chìa khóa/ổ khóa (1894, Emil Fischer)

Hai dạng nàv được xem như không thay đổi, cô" định và hoàn toàn ăn khớp với nhau

Tiếp xúc cãm ứ nil (1958 bởi

Daniel E Koshland Jr) trone đó liên kết của cơ chất cảm ứng làm thay đổi cấu dạng của TTHĐ cửa enzym

ất và enzym

a -mô hình chìa kh ó ã /ổ khóa

b- m ô hình tiếp xú c cảm ứng

1.6 Tính đặc hiệu của enzym

So với các chất xúc tác vô cơ, các enzym thể hiện tính đặc hiệu rõ rệt và cao hơnnhiều

Tính đặc hiệu của enzym thể hiện trước hết trong kiểu phản ứng được chúng xúc tác (đặc hiệu phản ứng) và trong sự chọn lọc đốì với cơ chất tham gia phản ứng (đặc hiệu cơ chất);

1.6.1 Tính đặc hiệu phản ứng

Enzym chỉ xúc tác cho một trong vô số những chuyển hóa có thể có được đối với một c ơ

chất

Ví dụ : 3 phản ứng sau đây của acid amin

Acid amin bị oxy hóa nhờ oxydase cho acid a-cetonic và NH3

R i-C H -C O O H + R2-CO-COOH R i-C O -C O O H + R 2 -CH -CO O H

1.6.2 Tính đặc hiệu cơ chất

Có enzym có tính đặc hiệu tuyệt đối với một cơ chất nhất định

Ví dụ : urease chỉ xúc tác quá trình thủy phân urê

Có enzym có thể tác dụng với cả một nhóm cơ chất có cấu trúc gần giống nhauhoặc có một bộ phận phân tử giông nhau (đặc hiệu tương đối)

Ví dụ : lactat dehydrogenase ngoài việc tác dụng vào lactat, còn có thể tác dụngvào nhiều chất khác cũng có nhóm -CHƠH- như lactat

Một sô" enzym có tính đặc hiệu kép như aminoacyl-synthetase trong quá trình tổng hợp protein tác dụng lên hai cơ chất có cấu trúc hoàn toàn khác nhau là acid amin và ARNt (ARN vận chuyển) của acid amin đó Enzym này vừa hoạt hóa acid amin đặc hiệu, vừa chuyển gốc acid amin đã được hoạt hóa cho ARNt đặc hiệu của acid amin đó để tạo thành phức hợp acid amin-ARNt

1.6.3 Tính đặc hiệu lập thể

Ngoài hai tính đặc hiệu trên, có thể kể thêm tính đặc hiệu lập thể chẳng hạn như hầu hết các enzym chuyển hóa acid amin chỉ tác dụng lên L-acid amin mà không tác dụng lên D-acid amin

1.7 Danh pháp và phân loại

1.7.1 Danh pháp

Phần lớn các enzym được gọi tên bằng cách thêm đuôi “ase” vào tên cơ chất của chúng Chẳng hạn urease là enzym xúc tác sự thủy giải urê và fructose 1,6-di phosphatase thủy giải fructose 1,6-di phosphat Tuy nhiên một sô" các enzym khác có tên gọi không liên quan gì đến cơ chất của chúng như trypsin và Chymotrypsin là hai enzym thủy phân các liên kết peptid của chuỗi polypeptid Mặt khác, một sô" các enzym lại được gọi dưới nhiều tên khác nhau

Để hợp lý hóa cách gọi tên các enzym, một hệ thông danh pháp quốc tế đã được

thông nhất như sau: các enzym được chia thành sáu loại chính dựa theo kiểu phản ứng xúc

tác của chúng Mỗi enzym được xác định bởi một mã sô" xếp loại gồm bốn sô" trong đó số

thứ nhất chỉ loại enzym, sô" thứ hai chỉ nhóm, số thứ ba chỉ phân nhóm và sô" thứ tư chỉ thứ

tự của enzym đó trong phân nhóm

Ví dụ: trypsin mang mã sô" EC (Enzyme Classification) 3.4.21.4 trong đó sô đầu tiên

(sô" 3) chỉ rằng enzym này thuộc loại hydrolase, sô" thứ hai (số 4) cho biêt nó thuộc nhóm

protease thủy phân các liên kết peptid, sô" thứ ba (21) cho biết đây là một serin protease có chứa gốc serin quyết định trong trung tâm hoạt động và sô" thứ tư (4) cho bief đây là enzym

được xếp thứ tư trong nhóm này

Tương tự, Chymotrypsin có m ã sô"EC 3.4.21.1 và elastase EC 3.4.21.36

1.7.2 Phân loại enzym

Dựa theo kiểu phản ứng xúc tác , enzym được chia làm 6 loại được liệt kê trong

bảng sau:

Bảng 7.1 Phẫn loại cắc enzym dựa theo kiểu phân ứng xúc tắc

1 Oxydoreductase Chuyển vận điện tử A’ + B -» A + B Alcol

dehydrogenase

2 Transferase Chuyển vận các nhóm chức A-B + c -> A+ B-C Hexokinase

3 Hydrolase Phản ứng thủy phân A-B+H20 —» A-H + B-OH Trypsine

4 Lyase Phân cắt liên kết C-C, C-O, C-N và các liên kết

khác để thành lập thường là một liên kết đôi

A-B -» A - B + X-Y

1 1

X Y

Pyruvatdecarboxylase

5 Isomerase Chuyển đổi các nhóm chức nội phân tử (chuyển

đồng phân) A-B —> A-B

I I I I

X Y Y X

Maleatisomerase

2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐEN h o ạ t đ ộ c ủ a ENZYM

sự mất đi của cơ chất, hoặc là sự xuất hiện của sản phẩm Cũng cần phải tính đến các yêu

tố cần thiết khác sao cho hoạt động của enzym được tối ưu như các chất đồng phôi hợp (cofactor), pH, và nhiệt độ ơ loài hữu nhũ, các enzym thường hoạt động trong khoảng nhiệt độ từ 25 - 37 độ c Cuối cùng, một điều quan trọng nữa là vận tốc của phản ứng cũng ảnh hưởng đến việc đo lường hoạt độ của enzym Vận tốc này phải không bị ảnh hưởng bởi việc cung cấp không đầy đủ cơ chất Nói chung cần phải có những nồng độ cơ chât rât lớn

để vận tốc phản ứng ban đầu của phản ứng tỷ lệ với nồng độ enzym

Thông thường, người ta định lượng một enzym bằng cách đo tốc độ xuât hiện của sản phẩm hoặc tốc độ biến mất của cơ c h ấ t Nếu cơ chất (hay sản phẩm) hâp thu ánh sáng

ở một bước sóng nhất định, sự biến thiên của nồng độ của những chất này có thể được đo

117

bằng cách khảo sát sự biến thiên của độ hấp thu ở bước sóng đó Điều này có thể được

thực hiện nhờ các máy đo quang Mật độ quang học tỷ lệ với nồng độ; tốc độ biến thiên của độ hâp thu tỷ lệ với tốc độ phản ứng enzym được biểu thị bằng sô" mol cơ chất được

tiêu thụ (hay số mol sản phẩm được tạo thành) trong một đơn vị thời gian

Các coenzym nicotinamide adenin dinucleotid khử (NADH) và nicotinamide adenin dinucleotid phosphat khử (NADPH) là hai phân tử thường được sử dụng để đo sự thay đổi

độ hấp thu trong các định lượng hoạt độ enzym và chúng hấp thu trong vùng tử ngoại ở bước sóng 340 nm Như vậy, nếu NADH hay NADPH được tạo thành trong quá trình phản ứng thì sẽ làm tăng mật độ quang học ở 340 nm Trái lại, nếu trong quá trình phản ứng có

sự oxy hóa NADH hay NADPH thành NAD+ và NADP+ sẽ dẫn đến việc làm giảm mật độ quang học do các dạng oxy hóa này không hấp thu ở bước sóng 340 nm

Một ví dụ liên quan đến hoạt độ của lactat dehydrogenase với cơ chất là lactat Hoạt độ enzym có thể được định lượng bằng cách đo sự gia tăng của độ hấp thu ở 340 nm với phương trình phản ứng sau :

2.2 Định lượng enzym kết hợp

Có một sô" phản ứng mà cơ chất cũng như sản phẩm không hấp thu ánh sáng ở bước

sóng thích hợp Trong những trường hợp này cũng vẫn có thể định lượng hoạt độ của enzym xúc tác phản ứng trên bằng cách kết hợp với một enzym thứ hai mà hoạt động của

nó làm thay đổi mật độ quang học đặc hiệu Thí dụ enzym glucose oxydase, thường được

sử dụng để đo nồng độ glucose trong máu các bệnh nhân bị tiểu đường, không làm thay đổi mật độ quang học khi chuyển đổi cơ chất thành sản phẩm

* CH3-CO- COO' + NADH + H+

Tuy nhiên, H2O2 sinh ra trong phản ứng có thể được tác động tiếp tục bởi một enzym thứ hai là peroxydase Enzym này đồng thời chuyển một hợp chất không màu thành một hợp chất có màu (chromogene) mà mật độ quang học có thể đo dễ dàng (hình 7.3).

Nếu muốn định lượng chính xác hoạt độ của enzym đầu tiên (glucose oxydase) thì enzym thứ hai (peroxydase) và những đồng cơ chất cũng như các Coenzym của chúng phải

có một lượng thừa để không rơi vào “bước chậm” làm ảnh hưởng đến vận tốc của enzym kết hợp Trong những điều kiện này, tốc độ tạo ra hợp chất có màu tỷ lệ với tốc độ tạo H2O2 và chính tô"c độ này tỷ lệ với hoạt độ của glucose oxydase

2.3 Vận tốc phản ứng enzym

Vận tốc của phản ứng được xúc tác bởi enzym thường được gọi là tốc độ của phản ứng Vận tốc phản ứng enzym thường liên quan đến giá trị của vận tốc khởi đầu, ở thời điểm zero (biểu thị Vo, |imol/phút) Vận tốc phản ứng lúc đó là cao nhất khi chưa có sản phẩm được thành lập ở thời điểm đó Điều này có thể được giải thích là lúc đó nồng độ của

cơ chất là tôi đa trong khi chưa có phân tử cơ chất nào được chuyển thành sản phẩm Ngoài

ra, enzym có thể là đốì tượng chịu sự ức chế ngược bởi chính sản phẩm của phản ứng và/hoặc trong phản ứng ngược lại, các sản phẩm có thể là nguồn nguyên liệu cho chúng

Dựa theo biểu đồ biểu diễn sự thay đổi của các sản phẩm được tạo thành theo thời gian tiêu biểu cho một phản ứng được xúc tác bởi enzym, chúng ta thấy rằng trong suốt giai đoạn mở đầu, sản phẩm được thành lập một cách nhanh chóng Giai đoạn này tương ứng với phần tuyến tính của đường biểu diễn (hình 3) Tiếp đến là giai đoạn chậm lại của phản ứng vì cơ chất đã được sử dụng và/hoặc bởi sự giảm hoạt độ của enzym Vo tương ứng với

độ dốc của đường thẳng thu được khi kẻ một đường thẳng từ phần tuyến tính của biểu đồ đi qua tọa độ gốc (hình 7.4)

chuyển hóa trong 1 phút) Ngoài ra, có 2 đơn vị tiêu chuẩn khác cho hoạt độ của enzym là đơn vị enzym (ư) và katal (kat)

Một đơn vị hoạt độ của enzym là lượng enzym cần thiết để xúc tác việc chuyển 1 Ịamol cơ chất trong 1 phút ở 25 độ c trong những điều kiện tôi ưu của enzym này

Katal là đơn vị tiêu chuẩn quốc tế SI đo hoạt độ enzym được định nghĩa như là tác động xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng của một mol/giây trong một hệ thông đặc hiệu

Sự chuyển đổi giữa những đơn vị này được tiến hành dựa theo công thức sau :

1 |j,mol/phút = IU = 16,67 nanokat

Hoạt độ (hay hoạt độ tổng cộng) là tổng sô" đơn vị hoạt động enzym của một mẫu trong khi đó hoạt độ đặc hiệu là sô" đơn vị hoạt động enzym tương ứng với lmg protein (Ư/mg) Hoạt độ đặc hiệu dùng để đánh giá mức độ tinh khiết của enzym Trong quá trình tinh chế enzym, hoạt độ đặc hiệu của nt) tăng và tiến tới tôi đa và không đổi khi enzym hoàn toàn tinh khiết

2.4 Nồng độ cơ chất

Thông thường, khi nghiên cứu sự liên quan giữa vận tốc phản ứng enzym và nồng

độ cơ chất ([S]), người ta nhận thây rằng đối với những nồng độ thấp của cơ chất thì khi tăng gấp đôi cơ chất sẽ dẫn đến việc tăng gấp đôi tốc độ ban đầu (Vo) Tuy nhiên, đốì với những nồng độ cao của cơ chất, enzym đã bị bảo hòa và sự tăng [S] thêm sẽ chỉ làm tăng rất ít Vo Điều này là do ở những nồng độ cao của cơ chất (bảo hòa), tất cả các phân tử enzym đã liên kết hết với cơ chất Vận tốc phản ứng tổng cộng tiếp đó được xác định bởi vận tốc phân tách của enzym và sản phẩm tạo thành và sự thêm vào cơ chất không ảnh hưởng Biểu đồ biểu thị mốì liên quan giữa Vo theo [S] là một đồ thị dạng hyperbol (hình 7.5)

2.6 Nhiệt độ

Nhiệt độ ảnh hưởng lên vận tốc của các phản ứng được xúc tác bởi enzym theo hai khả năng Trước hết, một sự gia tăng nhiệt độ sẽ làm tăng năng lượng nhiệt cung cấp cho các phân tử cơ chất Điều này dẫn đến việc làm tăng sô" lượng các phân tử cơ chất có mức năng lượng đủ cao để vượt qua AG* và như vậy làm gia tăng vận tốc của phản ứng

Tuy nhiên, ở những nhiệt độ quá cao, một tác động thứ hai sẽ xảy ra Sự gia tăng năng lượng nhiệt làm tăng nguy cơ phá vỡ các liên kết yếu không đồng hóa trị (liên kết hydro, lực Van der W alls ) là những liên kết làm ổn định cấu trúc không gian ba chiều của enzym Điều này dẫn đến việc làm biến tính enzym Người ta nhận thấy rằng, ngay cả việc chỉ cần có một thay đổi nhỏ trong cấu hình 3 chiều của enzym là đã có thể làm thay đổi cấu trúc của TTHĐ và đưa đến việc làm giảm hoạt tính của enzym Tác động chung của sự gia tăng nhiệt độ trên vận tốc của phản ứng của enzym tạo ra hai hiệu ứng ngược nhau

Hình 7.6 là biểu đồ biểu thị tác động của nhiệt độ phản ứng theo Vo trong đó cho thấy vùng nhiệt độ tốì ưu được xác định

Vo

Hình 7.6 Tác động của nhiệt độ phản ứng trên hoạt độ enzym

Đôì với loài hữu nhũ, nhiều enzym hoạt động ở nhiệt độ gần 37 độ c Nhưng cũng

có những sinh vật mà hệ enzym của chúng hoạt động ở những nhiệt độ tương đôi khá cao hoặc khá thấp Chẳng hạn Taq polymerase tham gia trong phản ứng trùng hợp chuỗi có trong vi khuẩn sống ở các nguồn nước nóng và enzym này thích nghi hoạt động trong những điều kiện nhiệt độ cao

Hình 7.7 biểu diễn sự thay đổi của vận tốc Vo theo pH dưới dạng hình chuông

121

Hình 7.7 Sự thay đổi của vận tốc Vo theo pH dưới dạng hình chuông

Nhiều enzym có pH tôi ưu gần khoảng 6,8 nhưng người ta nhận thấy rằng có một

sự khác biệt lớn của pH tốì ưu của các enzym do sự khác nhau của môi trường của chúng họat động Ví dụ pepsin là một enzym tiêu hoá thích hợp hoạt động trong dạ dày ở pH acid (pH khoảng 2)

2.8 Coenzym và các nhóm ngoại

Để xúc tác một phản ứng, nhiều enzym cần có sự hiện diện của những tiểu đơn vị không phải là protein được gọi là chất cộng tác hay cofactor Các chất cộng tác này có thể

là một hay nhiều ion vô cơ như Zn 2+ hay Fe2+, hoặc có thể là một phức hợp các phân tử

enzym thì được gọi là nhóm ngoại Holoenzym là dạng có hoạt tính xúc tác hoàn chỉnh của một enzym phôi hợp với coenzym của nó hay với ion kim loại của chúng Phần protein của enzym không có chất cộng tác được gọi là apoenzym

COENZYM +APOENZYM - * HOLOENZYM

Một số coenzym, chẳng hạn NAD+ , được gắn với enzym rồi tiêp đến lại được giải phóng ra khỏi enzym trong quá trình xúc tác và đóng vai trò như là một chất đồng cơ chất Nhiều coenzym là những dẫn xuất từ các tiền chất là các vitamin Các vitamin là những hợp chất thiết yếu trong khẩu phần ăn và nếu thiếu chúng cơ thể sẽ mắc một sô" bệnh do thiếu vitamin

Bảng sau đây giới thiệu một sô" coenzym thường gặp, tiền chất vitamin của chúng

và các bệnh do thiếu các vitamin này

Bảng 7.2 M ột sô'coernym thường gặp, tiền châ't vitamin của chúng va các bệnh do thiếu

cắc vitamin này

pyrophosphat

Desoxyadenosyl Cobalamin (vitamin B 12) Thiếu máu ác tính

cobalamin

Đồng cơ chất trong sự Vitamin c (acid ascorbic) Scorbut

hydroxyl hóa Prolin

thành Collagen

Pyridoxal phosphat Pyridoxin (vitamin B6) Viêm da

Nicotinamide adenin dinucleotid (NAD+) và nicotinamide adenin dinucleotid phosphat (NADP+) là hai Coenzym mà cấu trúc gồm có một baz adenin, hai đường ribose, glucid được liên kết với nhau bởi nhóm phosphat và một nhân nicotinamid (Hình 7.8) NADP+ khác với NAD+ do có thêm một nhóm phosphat gắn với một phân tử ribose (Hình 7.8) Hai coenzym này có một chức năng giông nhau là hoạt động như những chất vận chuyển điện tử và tham gia vào các phản ứng oxy hóa khử NAD+ thường được sử dụng trong các phản ứng dị hóa (phân hủy) trong khi NADP+ tham gia vào các phản ứng đồng hóa (sinh tổng hợp) Phần hoạt động của hai phân tử này là nhân nicotinamid tồn tại dưới dạng oxy hóa hay dạng khử và hoạt động bằng cách nhận hay cho điện tử tùy theo phản ứng enzym Phản ứng kéo theo cũng là sự vận chuyển proton theo phương trình sau :

NAD+ + H+ + 2è ~ NADH

Flavin adenin dinucleotid (FAD) và flavin mononucleotid (FMN) cũng là những chất chuyển vận điện tử và có cấu trúc hóa học gần nhau (Hình 7.9) Mỗi một coenzym

có chứa thêm một nhóm bổ sung glucid (Ribose)và Adenin FAD và FMN tác động với 2 pproton và 2 điện tử để chuyển luân phiên từ trạng thái khử sang trạng thái oxy hóa

FAD + 2H+ + 2è 7 * FADH2

123