HÓA SINH ĐẠI CƯƠNG TỔNG HỢP BÀI GIẢNG

.2.1. Phần lớn các enzyme có bản chất là protein E = protein hình cầu, phần lớn (6070%) là protein phtạp E đầu tiên được xđịnh ctb1: ribonuclease (của tụy bò, năm1960), là E cắt lk phosphodiester trong ARN; phtử là 1 chuỗipolypeptide có 124 aa, 4 cầu –SS. Cytochrome c (năm1962) là 1 chuỗi có 104 aa, 1 nhóm hem chứa Fe. Đến nay đã biết ctạo của hàng nghìn E. E có ngtắc ctạo,các bậc ctrúc và các tchất như bất kỳ 1 protein nào.

Chương 1: Protein

Chương 2: Vitamin

Chương 3: Enzyme

Chương 4: Nucleic acid

Chương 5: Chuyển hóa protein và acid amin

Chương 6: Carbohydrate và chuyển hóa carbohydrateChương 7: Lipid và chuyển hóa lipid

Chương 8: Trao đổi chất và năng lượng

HÓA SINH ĐẠI CƯƠNG (CN02301)

1 Lý thuyết

2 Thực hành

TÀI LIỆU HỌC TẬP

Giáo trình Hóa sinh đại cương (2010)

Ngô Xuân Mạnh, Lại Ngọc Hà, Đặng Thái Hải, Nguyễn Văn

Kiệm

1) Điểm chuyên cần

2) Điểm kiểm tra (thi giữa kỳ)

3) Điểm thi cuối kỳ

CÁC ĐIỂM THÀNH PHẦN

CỦA MÔN HỌC:

CHÚ Ý !

1) Đeo thẻ sinh viên

2) Không nghỉ 2 buổi LT trở lên

3) Không nghỉ buổi thực hành nào.

4) Thời gian thực hành:

- Sáng : 8h00’

- Chiều : 14h00’

BÀI MỞ ĐẦU

Mổ xẻ Kính hiển vi -phương tiện cơ bản của môn khoa học cổ điển

về sự sống (Sinh vật học)

Những hiểu biết đầu tiên về sinh vật

 Sinh vật học (Biology: biós = sự sống, logós = khoa học),

là một khoa học độc lập hình thành vào giữa thế kỷ 19

Quan

sát

1 Lịch sử hình thành MÔN HỌC

Những khám phá của sinh học cổ điển

- Thuyết tiến hoá (Darwin, 1859): Tất cả s/vật ngày nay đều

ph/triển từ những s/vật nguyên thuỷ trên cơ sở chọn lọc tự nhiên những cá thể th/nghi nhất

- Học thuyết tế bào (Schleiden và Schwann, 1847): S/vật

được tạo thành từ đ/vị c/tạo c/bản là tế bào Các tế bào mới được hình thành nhờ sự ph/chia các t/bào vốn đã tồn tại và h/động của s/vật là sự tương tác của các t/bào của chúng

- Học thuyết nhiễm sắc thể của hiện tượng di tryền (Mendel, Morgan, 1865 - 1911): Sự di truyền ở sinh vật được qui định

bở những cấu trúc của tế bào gọi là nhiễm sắc thể

- Sinh vật có cấu tạo như thế nào?

- Sinh vật hoạt động ra sao?

- N/c về cấu trúc, hình thái  Tế bào học, Giải phẫu học, vv

- Từ nhánh n/c về chức năng  Sinh lý học

Vấn đề đặt ra

Sinh học phân thành các nhánh khác nhau

N/c s/vật ở mức độ TB, dựa vào kính HV quang học (đặc

trưng cho sinh học cổ điển) quá thô sơ, không thể khám phá

ra được những qui luật về cấu trúc và đặc biệt là tr/thái động

- Dòng 2: Ph/triển trong kh/khổ hoá hữu cơ

N/c về các hợp chất tự nhiên →Th/tin về c/tạo ph/tử của cách/chất trong cơ thể sống, kể cảc những th/tin đầu tiên về cácđại ph/tử như protein và nucleic acid

Môn học mới hình thành (Một thời gian được coi là một

bộ phận của Sinh lý học hay của Hoá hữu cơ)

Khái niệm “Hoá sinh học" được Hoppe - Seyler đưa ra năm1903.

Khoảng những năm 30 của thế kỷ 20, hoá sinh học đã pháttriển thành một khoa học độc lập

Về đối tượng n/c, Hóa sinh thuộc Sinh học

Về phương pháp, Hóa sinh thuộc Hóa học

 Các n/c cho thấy: các chất c/ tạo nên sinh thể luôn ở tr/thái động  Hoá sinh chuyển từ n/c cấu trúc các h/chất tự nhiên sang n/c về các chuyển hoá hoá học trong sinh thể

 Những ph/hiện đầu tiên về TĐC:

Cơ chế lên men rượu, đường phân (Harden, Young, 1905;

Nenberg, Embden, Mayerhoff, Parnas, Warburg, 1912-1940); Ph/giải acid béo (Knop, 1904); OXH s/học (Wieland, Thunberg, Warburg và Keilin, 1912); H/tượng x/tác s/học (Michaelis,

 Hiểu biết về c/tạo ph/ tử, tổ chức ph/tử của các đối tượng s/học

và cơ chế các chuỗi ph/ứng → G/thích được bản chất ph/tử của các ch/năng và hiện tượng sống khác nhau

 Khám phá ra những ng/lý chung cho cả th/giới s/vật: tính vạn năng của mã d/truyền và thực hiện mã d/truyền; cơ chế ch/ hoá

NL, h/tượng x/tác enzyme trong các pứ hoá sinh, vv

 Chỉ ra rằng mọi biểu hiện sống đều có cơ sở phân tử của nó

Hoá sinh học là gì?

- L à khoa học n/c cơ sở hoá học của sự sống.

- Về chức năng, là khoa học n/c th/phần hoá học của tế bào

và những chuyển hoá hoá học xảy ra trong tế bào.

Dựa vào đối tượng n/c, hoá sinh học được phân thành:

• Hoá sinh động vật

• Hoá sinh thực vật

• Hoá sinh vi sinh vật

• Y hoá sinh, vvv

Hoá sinh động vật, đ/ tượng n/c là các đ/vật nông nghiệp, là

môn kh/học cơ sở, giảng dạy cho sinh viên các ngành chăn

nuôi, thú y Kiến thức của môn học là nền tảng, cơ sở để

hiểu biết nhiều môn học khác như di truyền, sinh lý động vật, dinh dưỡng và thức ăn, bệnh lý, dược lý thú y, vv

2 Nội dung của môn học

1.1.1 Định nghĩa

- Quan điểm hóa học:

Protein = polymer, tạo thành từ các -aa nối với nhau bằng lkpeptide và không tan trong TCA 10%

- Quan điểm triết học:

Protein = Chất hữu cơ mang sự sống

1.1 ĐẠI CƯƠNG

“Protein” = “đầu tiên”, hay “quan trọng nhất” (tiếng Hy Lạp)

Ph/tử protein có 1 hoặc nhiều chuỗi polypeptide

CHƯƠNG 1: PROTEIN

• Các biêu hiện của sự sống?

• Tại sao protein là chất mang sự sống?

 Dinh dưỡng và dự trữ dinh dưỡng:

Ovalbumin LTT, Casein sữa

Ferritin là dạng dự trữ sắt

 Cấu trúc (kiến tạo và chống đỡ cơ học):

Collagen: trong gân và sụn, dạng sợi, chun giãn và bền

Elastin trong dây chằng cũng có tính chun giãn cao

Keratin trong tóc, móng, lông chứa nhiều

Fibroin là th/phần chính của tơ, mạng nhện

………

Protein là th/phần c/tạo, tạo nên tính đ/thù cho từng TB và cácc/quan

• Ricin là độc tố của cây thầu dầu có t/dụng b/vệ cây.

• Fibrinogen và thrombin trong qt đông máu

• Các kháng thể (globulin miễn dịch)

 Cung cấp NL: OXH 1g protein cho 4,1 kcal

 Các vai trò khác

• Hạt cây họ đậu: đậu tương, lạc, vừng, …

• Các loại khô dầu: đậu tương, lạc, vừng, …

1.2 CẤU TẠO CỦA PROTEIN

1.2.2 Aminoacid (acid amin)

- Đơn vị cấu tạo cơ bản của protein

- Dẫn xuất của 1 acid hữu cơ, 1 H ở C được thay thếbằng nhóm amin (NH2), gọi là - aminoacid

R - C H - COOH

|

NH2

- aminoacidC/thức t/quát:

1.2.2.1 Định nghĩa

Các aa khác nhau ở gốc R (có tính acid, base hay trung tính)

1.2.2.2 Phân loại aminoacid

+ Theo cấu tạo

+ Theo độ phân cực - gốc R+ Theo quan điểm dinh dưỡng

a Phân loại theo cấu tạo

+ AA mạch thẳng:

- Trung tính (Gly, Ala, Val, Leu, Ile)

- Chứa nhóm OH (Ser, Thr)

- Chứa lưu huỳnh (Cys, Met)

- Chứa 2 nhóm carboxyl và các amid của chúng (Asp, Glu, Asn, Gln)

- Kiềm tính (Lys, Arg)

+ AA mạch vòng: Phe, Tyr, Trp, His, Pro

- Vòng thơm : Phe, Tyr, Trp

- Vòng khác : His, Pro

b Phân loại theo độ phân cực - gốc R

- Gốc R không phân cực, kỵ nước (Nonpolar, Aliphatic R Groups)

- Gốc R chứa nhân thơm (Aromatic R Groups)

- Gốc R phân cực, không mang điện (Polar, Uncharged R Groups)

- Gốc R mang điện dương, kiềm tính - Positively Charged (Basic) R Groups

- Gốc R mang điện âm, tính acid - Negatively Charged (Acidic) R Groups

c Theo quan điểm dinh dưỡng

- AA thiết yếu (essential amino acid): không được t/hợp hayt/hợp không thỏa mãn nhu cầu trong cơ thể, phải đượcc/cấp trong TĂ

- AA không thiết yếu (nonessential amino acid): được t/hợptrong cơ thể đ/vật

Một AA là thiết yếu hay không thiết yếu phụ thuộc vào gì?

- Loài và giai đoạn ph/triển của cơ thể

VD, Lợn và trẻ con không tổng hợp được: Phe, His, Ile, Leu,Lys, Val, Met, Arg, Thr và Trp

(Suy ra từ 2 tên người: PHILL V MATT)Trong 10 aa trên, người tr/thành tổng hợp được His và Arg

- Sự có mặt hay không của AA khác; VD:

Met là tiền chất của Cys  khi thiếu Met, Cys là EAA

Phe là tiền chất của Tyr  khi thiếu Phe, Tyr cũng là EAA

4-hydroxyproline và 5-hydroxylysine có trong collagen

Mythyllysine là th/phần của myosin

γ-carboxyglutamate có trong prothrombin th/gia đông máu

d Các aa bất thường có chức năng quan trọng

Ornithine và citruline là SPTG trong vòng Ornitine

e Các aa không có trong protein, nhưng có trong sinh thể

1.2.2.3 Tính chất của aminoacid

a Tính đồng phân quang học

Các aa (trừ Gly) chứa C* (bất đối), → có hoạt tính quanghọc (khả năng quay mặt phẳng tia phân cực)

Nếu nhóm NH2 gắn bên phải, aa thuộc đ/phân hàng D

(dextrorotatary) ghi dấu (+), nếu bên trái là đ/phân hàng L (levorotatary) ghi dấu (-) trước tên aa

COO –+ l

Khi nhóm NH2 nhận proton, có phương trình (2):

Theo thuyết Bronsted và Lowry về acid và base, amino acid

cho H+ (1) và nhận H+ (2)  thể hiện như 1 acid hay base, có tính lưỡng tính

Trong d/dịch, aa tồn tại ở dạng lưỡng cực (dạng Zwitterion)

hay dạng muối nội

Từ (1) và (2), có thể tính được 2 hằng số phân ly:

Giá trị pH, tại đó AA trung hòa về điện = điểm đẳng điện pI

(isoelectric point) hay pHi

pI của AA phụ thuộc số nhóm NH2 và COOH trong ph/tử AA

nhiều nhóm amine có pI cao, và ngược lại Các

monoamino-monocarboxylic acid, pH đẳng điện được xác định nhờ c/thức:

pI = pHi = ½(pK1 + pK2)

Đường cong ch/độ đ/trưng của dd Ala 0,1M ở 25°C có 3 điểm uốn.

Nồng độ OH - (Eq)

Kh/năng ph/ly lưỡng tính của aa có đường cong chuẩn độ đ/ trưng

Để x/định các giá trị pK, dùng NaOH thêm vào dd AA, đo pH

sau mỗi lần thêm, x/dựng được đường cong chuẩn độ

+ Phản ứng của nhóm carboxyl:

- Tạo muối với base

- Phản ứng khử nhóm carboxyl (decarboxyl hóa)

+ Phản ứng của nhóm amine:

- Tạo muối với acid

- Phản ứng với formaldehyde (Phản ứng Sorensen)

- Phản ứng với HNO2 (Phản ứng Val Slyke)

- Phản ứng deamine hóa (khử nhóm amine)

c Các phản ứng hóa học đặc trưng của AA (Tự đọc)

+ Phản ứng Ninhydrin

+ Phản ứng tạo phức với kim loại

+ Các phản ứng liên quan đến mạch bên (gốc R)

1.2.3 Cấu tạo phân tử

- Peptide là chuỗi aa l/kết với nhau bằng l/kết peptide

- L/kết peptide: đồng hoá trị, hình thành nhờ loại nước (ngưngtụ) giữa α-COOH của AA trước với α-NH2 của AA sau

a Peptide:

Hai aa nối với nhau qua một l/k peptide → dipeptide

Ba aa nối với nhau qua 2 l/k peptide → tripeptide

Một số aa l/kết với nhau → oligopeptide

Chuỗi có 2 đầu: Đầu N chứa NH+

3 tự do (của aa số 1, các

aa tiếp theo là số 2, 3, 4, … ); đầu C chứa nhóm COO- tự

do của aa cuối chuỗi

Các peptide tồn tại ở dạng ion hoá:

Nhờ các nhóm amin và carboxyl ở đầu và cuối chuỗi hoặc gốc

R của các aa trong chuỗi polypeptide, các peptide tồn tại ởdạng ion hoá khác nhau, tùy thuộc vào m/trường

→ Các peptide cũng có đường cong chuẩn độ đặc trưng, vàdựa vào đó có thể x/định được pI của các peptide này

Ph/ứng h/học đặc trưng của các peptide:

- Ph/ứng đặc trưng của lk peptide là pứ biure:

Trong m/t kiềm, các ph/tử có chứa từ 2 l/k peptide trở lên sẽtạo phức chất có màu xanh tím với Cu++

Ứ/dụng: - Ph/hiện protein trong các vật phẩm,

- Định lượng protein h/thanh và các dịch s/học khác

Cu ++

| CO

CO

|

| _

|

HCR

| CO H

CO

|

|

N OC

| N

|

RC _

| _

RCH

|

| CO H

CO

|

|

NH OC

| NH

CO

|

| _

|

|

b Thuyết polypeptide về cấu tạo phân tử protein

• Danhilepsky (1888): lk –CO – NH – v/trò q/t trong c/t protein

• Fisher (1900) kh/định sự t/tại của lk peptide (–CO – NH –), đề

ra thuyết polypeptide về c/tạo ph/tử protein:

“Ph/tử protein là 1 hoặc nhiều chuỗi polypeptide, tạo nên từ

hàng chục hoặc hàng trăm gốc aa nối với nhau bằng lk peptide”

 Ở tr/thái nguyên vẹn, ph/tử có rất ít nhóm NH2 và COOH tự do

 Khi bị th/phân, các nhóm NH2 và COOH từ từ g/phóng với tỷ lệ 1/1  lk peptide bị ph/giải

 Biure là p/ư đặc trưng cho lk peptide Các ph/tử protein đều th/gia p/ư này  trong ph/tử có các lk peptide

Nhiều TN đã kh/định thuyết polypeptide:

 T/hợp nhân tạo được protein (insulin) → Bản chất polypeptide của protein được k/định

 Ph/pháp nhiễu xạ tia X cho thấy: trong chuỗi polypeptide, các

aa được s/xếp liên tục đ/trưng cho từng ph/tử protein Các đặc điểm của lk peptide đã được xác định

Các đặc điểm của lk peptide:

• Bốn ng/tử C, O, H, N tạo lk peptide nằm trong 1 mặt phẳng, O và H luôn nằm ở vị trí trans so với lk peptide.

• Các nhóm lk với Cα có k/năng quay tự do.

• Lk giữa C và N trong nhóm –CO – NH – vừa có đ/tính của lk đơn, vừa có đ/tính của lk đôi  lk peptide tồn tại ở 2 dạng ketone và enol Dạng enol không bền, do ng/tử H rất linh động  protein có kh/năng ph/ứng cao, đa ch/năng.

(Lk C-N trong peptide có độ dài 1,32 A°, ngắn hơn lk C-N trong aa đơn lẻ (1,49 A°) và dài hơn kh/cách giữa C-N trong lk đôi (1,27 A°) Ng/nhân: có

sự cộng hưởng hoặc chia phần của 2 đôi điện tử dùng chung giữa C của nhóm carbonyl và nitơ Ôxy có thừa điện âm hơn, còn nitơ thừa điện

dương hơn; O của nhóm (-CO-) và hydro của NH sẽ tr/đổi e- cho nhau → l/kết amid C-N tồn tại ở dạng nửa đôi

1.2.3.2 Các bậc cấu trúc của protein

a Cấu trúc bậc nhất

- Ctb1 = Trình tự và số lượng các aa trong chuỗi polypeptide

Các aa s/xếp với số lượng nh/định, theo một tr/tự nh/định đ/hiệuriêng cho từng loại protein; Ctb1 q/định cấu hình kh/gian ba chiều

và ch/năng của protein

Trình tự s/xếp của các aa trong protein do mã d/truyền q/định

Di truyền ở SV là sự truyền lại cho đời sau ctb1 của protein

- Các aa trong chuỗi nối với nhau nhờ lk peptide

Lk q/định ctb1 là lk peptide

- Qui ước nhóm amin ở bên trái và đánh số thứ tự aa từ tráisang phải chuỗi polypeptide

- Là c/trúc c/bản, q/trọng nhất; q/định mọi t/chất của protein,hàng loạt v/đề như nòi giống, ph/chất, kh/n kháng bệnh,…

- Được q/định bởi số lượng và trình tự các aa trong chuỗi 2điểm này tạo nên tính ĐTSH của protein (Mỗi loài, mỗi mô bàocủa một cơ thể, mỗi cấu tử của TB đều có những protein cóc/trúc và ch/n đ/hiệu t/ứng Có sự l/quan ch/chẽ giữa c/trúc vàc/n s/học Mỗi sự th/đổi về c/trúc → th/đổi h/tính và c/n

Ý nghĩa của ctb1 ở protein:

Số lượng các aa trong chuỗi polypeptide q/định TLPT.

Trình tự các aa → tính đa dạng về cấu trúc và chức năng (mặc

dù chỉ x/phát từ 20 loại  - aa)

Sự th/đổi về trình tự s/xếp aa có thể dẫn đến những trườnghợp bệnh lý VD điển hình: bệnh hồng cầu hình lưỡi liềm

Hb cấu tạo từ 2 chuỗi  và 2 chuỗi  Ở người bệnh hồngcầu hình lưỡi liềm, aa thứ 6 trên chuỗi  là Glu được thaybằng Val:

Ở các loài khác nhau, protein th/hiện cùng một c/năng s/học

có thể hơi khác nhau VD: insulin, gồm 2 chuỗi: chuỗi A có 21

aa và chuỗi B có 30 aa; các loài khác nhau, aa tại các vị trí 8; 9

và 10 trên chuỗi A không giống nhau:

→ Số /lượng và trình tự aa trong chuỗi = 2 yếu tố qui địnhnên th/giới SV đa dạng và ph/tạp Việc phân chia chủng loại,nòi giống, kh/năng tự vệ, kiểu TĐC, vv đều do 2 y/tố này

b Cấu trúc bậc hai

- Là sự t/tác kh/gian của các gốc aa gần nhau hay cạnhnhau trong từng đoạn của chuỗi, mô tả cấu trúc kh/gian bêntrong của từng phần trong ph/tử

- Hai dạng thường gặp: Xoắn α

- Chuỗi cuộn lại theo hình lò xo, tạothành những bước xoắn.

- Đ/trưng cho protein dạng cầu củacác mô mềm (cơ, máu; trứng, sữa)

- Một vòng xoắn có 3,6 gốc aa;kh/cách giữa 2 gốc aa là 1,5 A°;chiều cao một bước xoắn 5,4 A°

- Bước xoắn tồn tại nhờ l/kết hydro,

hình thành giữa –CO- của aa này với–NH- của aa đứng trước 4 gốc aa

Xoắn α (α-helix):

Lk hydro

Gấp nếp :

- Thường gặp ở protein dạng sợi

- Chuỗi polypeptide duỗi thẳng, không cuộn lại như xoắn α.Khoảng cách giữa các aa cạnh nhau theo đường trục là3,5A° (1,5A° trong xoắn α)

- Gấp nếp  ổn định nhờ lk hydro giữa nhóm –NH- và trong các chuỗi khác nhau (hoặc giữa những đoạn khácnhau trong một chuỗi)

–CO Trong gấp nếp , các chuỗi polypeptie nằm song songhoặc đối song song

Các protein dạng sợi chỉ có một dạng ctb2, protein hình cầu(enzyme, protein v/c, một số hormone và immunoglobulin) lại

có thể kết hợp nhiều dạng ctb2 trong cùng một ph/tử

Song song

Đối nhau

c Cấu trúc bậc ba

Myoglobin

- Là cấu trúc kh/gian 3 chiều của chuỗi polypeptide

- Là sự t/tác kh/gian của từngđoạn của chuỗi đã có ctb2hoàn chỉnh, tạo cho ph/tử cóh/dáng ổn định và đ/trưng

- Mỗi biến đổi ctb3 đều kéotheo những hệ quả vềh/tính của protein VD: Khi

pH mt th/đổi → ctb3 th/đổi

→ TTHĐ của enzyme bịb/đổi, enzyme mất t/dụngvới cơ chất

Lk đồng hoá trị, NL mạch lớn, khoảng 10 kcal/mol

Số lượng trong ph/tử không nhiều Protein chứa 150 aa cũngchỉ có 3 - 5 lk này → Sự đóng góp của lk này vào việc ổn địnhctb3 không lớn