›
›

Bài giảng Hóa sinh học - Ngành: Nuôi trồng thủy sản - Trình độ: Cao đẳng - Trường Cao đẳng thủy sản

pdf 77 trang Gia Huy 20/05/2022 1890
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Hóa sinh học - Ngành: Nuôi trồng thủy sản - Trình độ: Cao đẳng - Trường Cao đẳng thủy sản", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_hoa_sinh_hoc_nganh_nuoi_trong_thuy_san_trinh_do_ca.pdf

Nội dung text: Bài giảng Hóa sinh học - Ngành: Nuôi trồng thủy sản - Trình độ: Cao đẳng - Trường Cao đẳng thủy sản

  1. BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG KINH TẾ, KỸ THUẬT VÀ THỦY SẢN GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: HÓA SINH HỌC NGHỀ: NUÔI TRỒNG THỦY SẢN TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG (Ban hành theo Quyết định số: /QĐ-CĐKTKTTS ngày tháng năm 2020 của Hiệu trưởng trường Cao đẳng Kinh tế, Kỹ thuật và Thủy sản) Bắc Ninh, tháng 9 năm 2020 1
  2. TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN: Giáo trình “Hóa sinh học” là tài liệu phục vụ công tác giảng dạy, học tập, nghiên cứu, tham khảo tại Trường Cao đẳng Kinh tế, Kỹ thuật và Thủy sản. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh đều bị nghiêm cấm. 2
  3. MỤC LỤC CHƯƠNG I. PROTEIN VÀ SỰ CHUYỂN HÓA PHÂN TỬ PROTEIN 7 1. Khái niệm và vai trò của protein 7 1.1. Khái niệm protein 7 1.2. Vai trò của protein 8 2. Cấu tạo phân tử protein 9 2.1. Amino acid – đơn vị cấu tạo cơ sở của protein 9 2.2. Cấu trúc không gian của phân tử protein 16 3. Đặc tính lý hóa của protein 22 3.1. Protein tồn tại trong sinh vật ở trạng thái keo 22 3.2. Lưỡng tính và điểm đẳng điện 23 3.3. Hiện tượng mất nguyên tính và sa lắng 23 3.4. Tính đặc trưng sinh học 24 4. Phân loại protein 24 5. Chuyển hóa phân tử protein 26 5.1. Sự phân giải phân tử protein 26 5.2. Các đường hướng chuyển hóa chung của amino acid 26 5.3. Chu trình ure (ORNITHIN) 27 CHƯƠNG II. LIPID VÀ SỰ CHUYỂN HÓA PHÂN TỬ LIPID 29 1. Khái niệm và vai trò của lipid 29 1.1. Khái niệm 29 1.2. Vai trò của lipid 30 2. Thành phần cấu tạo của lipid 31 3. Phân loại và các tính chất của lipid 32 3.1. Lipid đơn giản 32 3.2. Lipid phức tạp 34 4. Chuyển hóa lipid 38 4.1. Chuyển hóa glycerin 38 4.2. Chuyển hóa acid béo (Chu trình β - oxi hóa) 39 3
  4. 4.3. Tổng hợp acid béo 41 CHƯƠNG III. GLUCID VÀ SỰ CHUYỂN HÓA PHÂN TỬ GLUCID 43 1. Khái niệm và vai trò của glucid 43 2. Phân loại glucid 43 2.1. Monosaccharide 43 2.2. Disaccharide 44 2.3. Polysaccharide 45 3. Tính chất lý học và hóa học của glucid 48 4. Chuyển hóa glucid 49 4.1. Chu trình EMP 49 4.2. Chu trình Krebs 52 CHƯƠNG IV. ENZYME 56 1. Khái niệm enzyme 56 2. Trung tâm hoạt động của enzyme 57 3. Cơ chế tác dụng của enzyme 59 4. Hoạt tính xúc tác của enzyme 59 5. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng enzyme 60 5.1. Ảnh hưởng của nồng độ enzyme 60 5.2 Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất [S] 60 5.3. Ảnh hưởng của chất kìm hãm (inhibitor) 61 5.4. Ảnh hưởng của chất hoạt hóa (activator) 63 5.5. Ảnh hưởng cuả nhiệt độ 63 5.6. Ảnh hưởng của pH 64 6. Phân loại enzyme 65 7. Cách gọi tên enzyme 65 CHƯƠNG V. VITAMINE 67 1. Khái niệm và phân loại vitamine 67 2. Vitamine tan trong dầu 68 2.1. Vitamine A (retinol, axerophthol) 68 2.2. Vitamine D (là antirachitic factor, calcitriol ) 68 4
  5. 2.3. Vitamine E (Tocopherol) 69 2.4. Vitamine K 70 2.5 Vitamine Q (Ubiquinon) 71 3. Vitamine tan trong nước 71 3.1. Vitamine B1 (Thiamin) 71 3.2. Vitamine B2 (Riboflavin) 72 3.3. Vitamine B3 73 3.4. Viatmine B5 (Acid patothenic) 73 3.5. Vitamine B6 (Pyridoxin) 74 3.6 Vitamine C (Ascorbic acid) 75 3.7 Viatmine H (Biotin, Vitamine B7) 75 5
  6. CHƯƠNG TRÌNH MÔN HỌC Tên môn học: Hóa sinh Mã môn học: I. Vị trí, tính chất môn học - Ví trí: Hoá sinh là môn học cơ sở nghề bắt buộc, thuộc chương trình đào tạo trình độ Cao đẳng nghề Nuôi trồng thủy sản, được giảng dạy cho người học trước khi học các môn học /mô-đun chuyên ngành. - Tính chất: Hóa sinh là môn học giới thiệu cho học viên những kiến thức về cấu tạo, chức năng của các hợp chất hữu cơ trong cơ thể sống và các quá trình chuyển hóa các chất cũng như ứng dụng của chúng trong ngành Nuôi trồng thủy sản. II. Mục tiêu môn học - Kiến thức: Nắm vững các kiến thức cơ bản về vai trò, đặc tính hóa lý, cấu tạo hóa học và cấu trúc phân tử của các chất có trong cơ thể sống như protein, lipid, glucid, vitamine, enzyme Nắm vững kiến thức về quá trình chuyển hóa các chất trong cơ thể sống. - Kỹ năng: Sử dụng được các dụng cụ, thiết bị dùng trong phân tích hóa sinh; Định tính và định lượng được các chất cơ bản có trong cơ thể sống bằng các phản ứng hóa sinh học. - Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Nghiêm túc, tỉ mỉ, thận trọng, đảm bảo an toàn phòng thí nghiệm III. Nội dung môn học: Chương I: Protein và sự chuyển hóa phân tử protein Chương II. Lipid và sự chuyển hóa phân tử lipid Chương III. Glucid và sự chuyển hóa phân tử glucid Chương IV. Enzyme Chương V: Vitamin 6
  7. CHƯƠNG I PROTEIN VÀ SỰ CHUYỂN HÓA PHÂN TỬ PROTEIN Giới thiệu: Protein giữ vai trò quan trọng trong tất cả các quá trình sinh học. Ý nghĩa đáng kể của chúng được thể hiện qua các chức năng như tạo hình, xúc tác sinh học, điều hòa chuyển hóa, cung cấp năng lượng Với sự phát triển của khoa học, vai trò và ý nghĩa của protein đối với sự sống càng được khẳng định. Cùng với nucleic acid, protein là cơ sở vật chất của sự sống. Mục tiêu: - Nắm vững các kiến thức về cấu tạo, vai trò và tính chất của protein. - Phân tích được quá trình chuyển hóa protein trong cơ thể sống. - Định tính và định lượng được hàm lượng protein trong mẫu phân tích. Nội dung chính: 1. Khái niệm và vai trò của protein 1.1. Khái niệm protein Protein hay còn gọi là chất đạm, là những phân tử sinh học hay đại phân tử, chứa một hoặc nhiều mạch các amino acid, liên kết với nhau bởi liên kết peptid. Các protein khác nhau chủ yếu do về trình tự các amino acid khác nhau, trình tự này do các nucleotide của gen quy định.Trong tự nhiên có khoảng 20 amino acid. Protein là hợp chất hữu cơ có ý nghĩa quan trọng bậc nhất trong cơ thể sống, về mặt số lượng, protein chiếm không dưới 50% trọng lượng khô của tế bào; về thành phần cấu trúc, protein được tạo thành chủ yếu từ các amino acid vốn được nối với nhau bằng liên kết peptide. Cho đến nay người ta đã thu được nhiều loại protein ở dạng tinh thể và từ lâu cũng đã nghiên cứu kỹ thành phần các nguyên tố hoá học và đã phát hiện được rằng thông thường trong cấu trúc của protein gồm bốn nguyên tố chính là C, H, O, N với tỷ lệ C ≈ 50%, H ≈ 7%, O ≈ 23% và N ≈ 16%. Ngoài ra trong protein còn gặp một số nguyên tố khác 7
  8. như S ≈0-3% và P, Fe, Zn, Cu Từ lâu người ta đã biết rằng protein tham gia mọi hoạt động sống trong cơ thể sinh vật, từ việc tham gia xây dưng tế bào, mô, tham gia hoạt động xúc tác và nhiều chức năng sinh học khác. Ngày nay, khi hiểu rõ vai trò to lớn của protein đối với cơ thể sống, người ta càng thấy rõ tính chất duy vật và ý nghĩa của định nghĩa thiên tài của Engels P. “Sống là phương thức tồn tại của những thể protein”. Với sự phát triển của khoa học, vai trò và ý nghĩa của protein đối với sự sống càng được khẳng định. Cùng với nucleic acid, protein là cơ sở vật chất của sự sống. 1.2. Vai trò của protein - Là thành phần cấu tạo nhân và nguyên sinh chất của tế bào Protein là thành phần thiết yếu của cơ thể sinh vật, tham gia vào mọi quá trình bên trong tế bào. Protein là thành phần quan trọng của nhân tế bào, chất gian bào, duy trì và phát triển mô. Protein cấu trúc nên khung tế bào, tạo các khung đỡ giúp duy trì hình dáng tế bào. Quá trình phát triển của cơ thể, từ việc hình thành cơ, đổi mới phát triển của tế bào, phân chia tế bào đều gắn liền với quá trình tổng hợp protein. - Tham gia điều khiển hoạt động sinh lý của cơ thể (chức năng điều hòa). Protein có vai trò như chất đệm, giúp cân bằng pH, đảm bảo cho hệ tuần hoàn vận chuyển các ion. Protein kéo nước từ tế bào và các mạch máu, giúp điều hòa nước trong cơ thể. Khi lượng protein trong máu thấp, áp lực thẩm thấu trong lòng mạch giảm sẽ xảy ra hiện tượng phù nề. - Xúc tác các phản ứng chuyển hóa của cơ thể (lipase, urease ). Một số protein là enzyme xúc tác cho các phản ứng sinh hóa, quá trình trao đổi chất trong cơ thể sống. - Tham gia vào các quá trình bảo vệ cơ thể (các kháng thể). Các tế bào bạch cầu có thành phần chính là protein, có nhiệm vụ chống lại các tác nhân có hại xâm nhập cơ thể. 8
  9. Hệ thống miễn dịch sản xuất các protein gọi là các interferon giúp chống lại virut, các kháng thể giúp cơ thể chống lại các tác nhân gây bệnh. Nếu quá trình tổng hợp protein của cơ thể bị suy giảm thì khả năng bảo vệ cơ thể cũng yếu đi. - Tham gia vận chyển và các chất dinh dưỡng. Phần lớn các chất vận chuyển các chất dinh dưỡng là protein. Protein vận chuyển các chất dinh dưỡng được hấp thu từ quá trình tiêu hóa thức căn vào máu, từ máu vận chuyển đến các mô, qua màng tế bào. Hemoglobin có trong hồng cầu là một protein có vai trò vận chuyển oxy lấy từ phổi cung cấp cho các tế bào khác trong cơ thể. - Cung cấp năng lượng. Protein cung cấp năng lượng cho cơ thể, chiếm 10-15% năng lượng của khẩu phần ăn. Protein là yếu tố chiếm nhiều sau nước, chiếm 50% trọng lượng thô ở người trưởng thành. 2. Cấu tạo phân tử protein 2.1. Amino acid – đơn vị cấu tạo cơ sở của protein Amino acid (còn gọi là acid amin) là chất hữu cơ mà phân tử chứa ít nhất một nhóm carboxyl (COOH) và ít nhất một nhóm amine (NH2), trừ Proline chỉ có nhóm NH2 (thực chất là một imino acid). Đây là đơn vị cơ bản cấu tạo nên protein, là monome để tạo nên chất polyme protein. Công thức cấu tạo chung: (H2N)x – R – (COOH)y hoặc R α CH NH2 COOH Hình 1.1 Công thức cấu tạo chung của các amino acid 2.1.1. Phân loại amino acid Trong tự nhiên, người ta đã tìm được 250 amino acid nhưng protein trong cơ thể sinh vật mặc dù khác nhau cũng chỉ chứa 20 loại amino acid nhất định. Hiện nay, người ta phân loại amino acid theo nhiều kiểu khác nhau, mỗi 9
  10. kiểu phân loại đều có ý nghĩa và mục đích riêng. - Phân loại theo hóa học: Dựa vào cấu tạo phân tử và các lý hóa tính, người ta chia amino acid ra làm các loại: + Amino acid mạch thẳng: Gồm mạch thẳng trung tính, mạch thẳng tính acid (acid glutamic, acid aspartic), mạch thẳng tính kiềm (Lysine, Arginine). + Amino acid mạch vòng: Gồm vòng đồng nhất (Phenylalanine, Tyrosine) và dị vòng (Histidine, Tryptophan, Proline). - Phân loại theo sinh lý (giá trị dinh dưỡng): + Amino acid cần thiết (loại không thay thế được): Là loại rất cần cho sự phát triển bình thường của cơ thể động vật, nhưng cơ thể động vật không tự tổng hợp được, chúng phải thường xuyên được cung cấp từ thức ăn. Ở động vật trưởng thành có 8 loại amino acid cần thiết là Valine, Leucine, Isoleucine, Lysine, Threonine, Methionine, Tryptophan và Phenylalanine. Đối với động vật còn non còn cần 2 loại amino acid cần thiết nữa là Histidine và Arginine. + Amino acid không cần thiết (loại thay thế được): Là loại cơ thể tự tổng hợp được từ sản phẩm chuyển hóa trung gian khác. - Dựa vào cấu tạo gốc R: Nhóm R được biểu thị như một chuỗi bên. Hiện nay, cách phân loại các amino acid đang được nhiều người sử dụng nhất là dựa vào gốc R của amino acid và được chia làm 5 nhóm: + Nhóm I: Gồm 7 amino acid có R không phân cực, kỵ nước, đó là: Glycine, Alanine, Proline, Valine, Leucine, Isoleucine và Methionine 10
  11. + Nhóm II: các amino acid có gốc R là nhân thơm, thuộc nhóm này có 3 amino acid: Phenylalanine, Tyrosine và Tryptophan Phenylalanine Tyrosine Tryptophan + Nhóm III: các amino acid có gốc R base, tích điện dương, thuộc nhóm này có 3 amino acid là Lysine, Histidine và Arginine, trong phân tử chứa nhiều nhóm amin. + Nhóm IV: các amino acid có gốc R phân cực, không tích điện, thuộc nhóm này có 5 amino acid (Hình 1.5) 11
  12. + Nhóm V: các amino acid có gốc R acid, tích điện âm, đó là Aspartate (Asp, D) và Glutamate (Glu, E), trong phân tử chứa hai nhóm carboxyl (hình 1.6). 12
  13. Bảng 1.1. Các amino acid thường gặp Tên amino acid Viết tắt Tính chất Glycine Gly G Alanine Ala A Valine Val V Leucine Leu L Isoleucine Ile I Không phân cực, kỵ nước Methionine Met M Phenylalanine Phe F Tryptophan Trp W Proline Pro P Serine Ser S Threonine Thr T Cysteine Cys C Phân cực, ưa nước Tyrosine Tyr Y Asparagine Asn N Glutamine Gln Q Aspartic acid Asp D Tích điện (acid) Glutamic acid Glu E Lysine Lys K Arginine Arg R Tích điện (base) Histidine His H 2.1.2. Tính chất lý hoá của amino acid - Màu sắc và mùi vị của amino acid Các amino acid thường không màu, không mùi. Nhiều loại có vị ngọt kiểu đường như Glycine, Alanine, Valine, Serine, Histidine, Tryptophan; một số loại có vị đắng như Isoleucine, Arginine hoặc không có vị như Leucine. Bột ngọt hay còn gọi là mì chính là muối của natri với glutamic acid (monosodium glutamate). 13
  14. - Tính tan của amino acid Các amino acid thường dễ tan trong nước, các amino acid đều khó tan trong alcohol và ether (trừ Proline và hydroxyproline), không tan trong các dung môi hữu cơ, chúng cũng dễ hoà tan trong acid và kiềm loãng (trừ Tyrosine). - Biểu hiện tính quang học của amino acid Tất cả các amino acid (trừ glycin) đều chứa trong phân tử ít nhất một nguyên tử carbon bất đối (ký hiệu là C* hoặc Cα). Khối tứ diện của 4 nhóm bao quanh nguyên tử carbon anpha tạo nên hoạt tính quang học trên các amino acid, nghĩa là làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực sang bên phải ký hiệu là (+) (dạng D) hoặc quay sang bên trái ký hiệu là (-) (dạng L), còn gọi là đồng phân lập thể (hình 1.7). Góc quay đặc hiệu của amino acid phụ thuộc vào pH của môi trường. Tất cả các amino acid tồn tại trong protein đều thuộc dạng L – amino acid, dạng D – amino acid rất ít gặp. Chỉ những L protein mới tham gia cấu trúc protein hay amino acid trong cơ thể ở dạng đồng phân quay cực trái (dạng L). Hình 1.2. Đồng phân lập thể của Alanine - Tính lưỡng tính của amino acid Phân tử amino acid có nhóm carboxyl –COOH mang tính chất acid, + - nhường proton (H ) để phân li thành COO , mặt khác có nhóm amin - NH2 mang + + tính chất kiềm, dễ nhận proton (H ) để thành NH3 . Vì vậy, amino acid kết tinh tồn tại ở dạng ion lưỡng cực mà trong dung dịch dạng ion lưỡng cực chuyển một phần nhỏ thành dạng phân tử. Trong môi trường acid, amino acid ở dạng cation (tích điện dương), nếu tăng dần pH amino acid lần lượt nhường proton thứ nhất chuyển qua dạng lưỡng cực (trung hoà về điện), và tiếp tục tăng pH amino acid sẽ nhường proton thứ hai chuyển thành dang anion (tích điện âm). 14
  15. Hình 1.3. Tính lưỡng tính của amino acid Người ta ứng dụng tính chất lưỡng tính của amino acid để điện di phân tích hỗn hợp amino acid bằng dòng điện một chiều. Ở giá trị pH nào đó của môi trường mà phân tử amino acid có tổng điện tích dương bằng số tổng điện tích âm, amino acid trung hòa về điện, pH đó gọi là điểm đẳng điện của amino acid (ký hiệu là pI). - Các phản ứng hoá học của amino acid Các amino acid đều có nhóm carboxyl và nhóm amin liên kết với Cα. Vì vậy, chúng có những tính chất hoá học chung. Mặt khác các amino acid khác nhau bởi gốc R, do đó, chúng cũng có những phản ứng riêng biệt. Có một số phản ứng hóa học của amino acid như sau: + Tạo phức hợp muối với kim loại như đồng, kẽm. NH CH2 Zn C = O O Hình 1.4. Phức hợp amino acid với kim loại + Phản ứng của gốc R Do các amino acid có cấu tạo gốc R khác nhau, nên người ta có thể dùng để xác định từng amino acid riêng rẽ nhờ phản ứng đặc trưng của nó, ví dụ phản ứng oxi hóa khử do nhóm -SH của Cysteine, phản ứng tạo muối do các nhóm COOH hay NH2 của Glutamate hay Lysine, phản ứng tạo ester do nhóm OH của Tyrosine + Phản ứng chung Là phản ứng có sự tham gia của cả hai nhóm α - COOH và α - NH2. Tất cả các amino acid trong phân tử protein đều phản ứng với hợp chất ninhydrin tạo 15
  16. thành phức chất màu xanh tím, riêng imino acid như Proline tạo thành màu vàng. Dưới tác dụng của ninhydrin ở nhiệt độ cao, amino acid tạo thành NH3, CO2 và aldehyde tương ứng có mạch polypeptide ngắn đi một carbon; đồng thời ninhydrin chuyển thành diceto oxy hindriden. Diceto oxy hindriden, NH3 mới tạo thành tiếp tục phản ứng với một phân tử ninhydrin khác để tạo thành phức chất màu xanh tím (hình 1.5) R O- O O NH2CHCOOH OH 2 N + C + CO + 4H O OH OH- 2 2 O R R O Hình 1.5. Phản ứng của protein với ninhydrin Phản ứng này rất nhạy, có thể phát hiện đến microgram amino acid, vì vậy được dùng nhiều trong phân tích định tính và định lượng amino acid (trong các phương pháp sắc ký và điện di). Ngoài amino acid, peptide, protein, muối amon, amoniac, v.v cũng tạo màu với thuốc thử ninhydrin. Vì vậy, muốn xác định chính xác amino acid cần phải loại bỏ các chất này. Để xác định amino acid liên kết trong peptide hoặc protein phải thủy phân các chất này để tạo thành amino acid tự do rồi mới thực hiện phản ứng với ninhydrin. 2.2. Cấu trúc không gian của phân tử protein Tính chất của protein được quyết định bởi chuỗi amino acid của nó, và chuỗi này đựợc biết đến như cấu trúc bậc một của protein. Phụ thuộc vào bản chất và trình tự xắp xếp của các amino acid trong chuỗi, những phần khác nhau của phân tử hình thành nên cấu trúc bậc hai, như cấu trúc xoắn alpha (‘cuộn’) hay cấu trúc nếp gấp beta (phẳng) (hình 1.15). Sự gấp cuộn hơn nữa và tổ chức lại bên trong phân tử hình thành nên cấu trúc bậc cao hơn hay là cấu trúc bậc ba. Mỗi protein bao gồm các cấu trúc xoắn alpha, cấu trúc nếp gấp beta và các phần ngẫu nhiên. 16
  17. Hình 1.6. Sơ đồ các bậc cấu trúc của protein 2.2.1. Cấu trúc bậc I Đầu mạch polypeptide là nhóm amin của amino acid thứ nhất ở dạng tự do và cuối mạch là nhóm carboxyl tự do của amino acid cuối cùng. Cấu trúc bậc một của protein thực chất là trình tự sắp xếp của các amino acid trên chuỗi polypeptide, được giữ vững bằng liên kết peptide và có vai trò tối quan trọng vì trình tự các amino acid trên chuỗi polypeptide sẽ thể hiện tương tác giữa các phần trong chuỗi polypeptide, từ đó tạo nên hình dạng lập thể của protein và do đó quyết định tính chất cũng như vai trò của protein. Sự sai lệch trong trình tự sắp xếp của các amino acid có thể dẫn đến sự biến đổi cấu trúc và tính chất của protein. Liên kết peptide là liên kết đồng hóa trị nên rất bền vững. Để phá vỡ liên kết này, trong phòng thí nghiệm người ta phải dùng những tác nhân mạnh như acid 0 HCl, H2SO4 với nồng độ 4 – 6N, đun ở nhiệt độ 102 C kéo dài trong 24 giờ. Số lượng các amino acid trong chuỗi làm cho chuỗi peptide dài ngắn khác nhau: 2 amino acid gọi là di peptide, 3 gọi là tri peptide, 4 – 10 gọi là olygo 17
  18. peptide và > 10 gọi là polypeptide. Trung bình mỗi chuỗi có khoảng 150 amino acid, ví dụ Insuline có 51 aa, glucagon có 19 aa This image cannot currently be displayed. Hình 1.7. Cấu trúc bậc nhất của ribonuclesae của bò Sự khác nhau của các protein về cấu trúc bậc I tạo nên tính đặc trưng sinh học của protein đó, từ đó quyết định đặc tính, tính trạng của sinh vật. Tính đặc trưng này riêng cho từng loại protein và được di truyền rất chặt chẽ qua nhiều thế hệ (được mã hóa trong DNA). Hiện nay, nhiều loại protein đã biết được trình tự các amino acid trong chuỗi polypeptide như: ribonuclease là một protein có 124 amino acid được nối với nhau thành một chuỗi, có 4 cầu disulfua (hình 3.18); hemoglobin là protein có 4 chuỗi polypeptide, 2 chuỗi α ( mỗi chuỗi 141 amino acid) và 2 chuỗi β (mỗi chuỗi 146 amino acid); trypsinogen bò (229 amino acid); kimotrypsin bò (229 amino acid); alcol dehydrogenase ngựa (374 amino acid); glutamate dehydrogenase bò (500 amino acid) v.v Tầm quan trọng của việc xác định cấu trúc bậc I của protein - Là bước đầu tiên quan trọng để xác định cơ sở phân tử hoạt tính sinh học và tính chất hóa lý của protein. Là dấu hiệu rõ nhất về sự sai khác giữa protein này với protein khác. - Là cơ sở xác định cấu trúc không gian của phân tử protein dựa trên qui luật hình thành các liên kết hóa học. - Là yếu tố góp phần quan trọng trong nghiên cứu bệnh lý phân tử khi vị trí các amino acid bị thay đổi. 18
  19. - Cấu trúc bậc I là phiên bản của mã di truyền. Vì vậy, cấu trúc này nói lên quan hệ họ hàng và lịch sử tiến hóa của thế giới sống. - Việc xác định được cấu trúc bậc I là cơ sở để tổng hợp nhân tạo protein bằng phương pháp hoá học hoặc bằng kỹ thuật của công nghệ sinh học. 2.2.2. Cấu trúc bậc II Là tương tác không gian giữa các gốc amino acid ở gần nhau trong mạch polypeptide. Đó là sự sắp xếp đều đặn hay xoắn gọn lại của các chuỗi polypeptide trong không gian tạo nên những đoạn có cấu trúc kiểu xoắn α (được xác định là thứ nhất) và cấu trúc gấp nếp β (được xác định là thứ hai). Sự ổn định cấu trúc được cố định bởi các liên kết hydro giữa những amino acid ở gần nhau. Nếp gấp β khác nhiều so với nếp gấp α. Một chuỗi polypeptide trong nếp gấp β gọi là một dây (sợi) hầu như được duỗi ra hoàn toàn chứ không cuộn chặt như trong xoắn α. Dạng nếp gấp β được ổn định nhờ các liên kiết di sulfid (-S-S-) được hình thành từ 2 nhóm Sulfuahydryl (-SH) của 2 amino acid Cys khi chúng ở gần nhau trong không gian. Một sai khác là nếp gấp β được làm ổn định bởi các liên kết hydrogen giữa các nhóm CO và NH trong các sợi polypeptide khác nhau, trong khi đó ở xoắn α, liên kết hydrogen là giữa các nhóm NH và CO trong cùng một sợi. Những chuỗi kế cận trong nếp gấp β có thể chạy cùng một hướng (nếp β song song) hoặc các hướng đối nghịch (nếp β đối song song). This image cannot currently be displayed. Hình 1.8 : Ví dụ cấu trúc xoắn alpha. A: mô hình giản lược; B: mô hình phân tử; C: nhìn từ đỉnh; D: mô hình không gian. 19
  20. Hình 1.9 : Cấu trúc nếp gấp beta (các mũi tên chỉ hướng chuỗi amino acid) Các protein sợi (có trong lông, tóc, móng, sừng) như keratin, collagen gồm nhiều xoắn α, trong khi các protein cầu có nhiều nếp gấp β hơn. Tuy nhiên, gấp β là một cấu trúc có trong nhiều protein hơn xoắn α. 2.2.3 Cấu trúc bậc III Là cách sắp xếp gọn lại trong không gian của chuỗi peptid khi đã có cấu trúc bậc II. Các xoắn α và phiến gấp nếp β có thể cuộn lại với nhau thành từng búi có hình dạng lập thể đặc trưng cho từng loại protein. Cấu trúc không gian này có vai trò quyết định đối với hoạt tính và chức năng của protein. Hình 1.10. Cấu trúc bậc III của myoglobin Cấu trúc bậc III của protein được ổn định là nhờ liên kết disulfid và một loạt các liên kết phụ, nhưng chủ yếu là nhờ các liên kết phụ, có lực nối yếu và có mặt khắp nơi trong phân tử protein. Đó là: - Liên kết hydro >N H N<. Đây là liên kết xuất hiện trong trường hợp chất có hiện tượng phân cực, giữa hai nhóm mang điện tích âm có khoảng cách từ 2-3A0 có hydro ở giữa. - Liên kết của các nhóm kỵ nước (nhóm không ưa nước, chỉ chứa C, H như Val, Leu ) nhóm này có tính đẩy nước và bị nước đẩy, trong dung dịch keo khi chúng gần nhau sẽ tạo thành một đám tạo nên lực liên kết. - Lực Vanderval (lực hấp dẫn vi mô): Là lực nối xuất hiện giữa các nhóm phân tử khi chúng nằm gần nhau trong một khoảng cách bằng 1,5 – 2 lần đường kính phân tử. 20
  21. - Liên kết ion xuất hiện giữa các amino acid còn dư nhóm carboxyl (- - + COOH) và nhóm amin (-NH2) trong dung dịch chúng phân li thành COO và NH3 . - Liên kết peptide xuất hiện giữa các amino acid con dư nhóm -COOH và -NH2 khi chúng ở gần nhau (số lượng liên kết này cũng rất ít). Đặc điểm của các liên kết này là năng lượng liên kết thấp, nó là liên kết yếu nhưng nó có mặt ở khắp nơi trong phân tử protein nên tác dụng ổn định cấu trúc của nó là rất lớn, đồng thời do yếu nên dễ chịu ảnh hưởng của môi trường (t0, pH). Cấu trúc này lại đặc biệt phụ thuộc vào tính chất của nhóm -R trong các mạch polypeptide. Chẳng hạn nhóm -R của Cysteine có khả năng tạo cầu đisulfur (-S-S-), nhóm -R của prolin cản trở việc hình thành xoắn, từ đó vị trí của chúng sẽ xác định điểm gấp, hay những nhóm -R ưa nước thì nằm phía ngoài phân tử, còn các nhóm kị nước thì chui vào bên trong phân tử Các liên kết yếu hơn như liên kết hydro hay điện hóa trị có ở giữa các nhóm -R có điện tích trái dấu. Trong cấu trúc bậc 3, điều có ý nghĩa quyết định đối với hoạt tính của protein là thông qua việc hình thành cấu trúc bậc 3 trong phân tử protein hình thành nên các trung tâm hoạt động (nơi diễn ra các phản ứng hóa sinh). Trung tâm hoạt động được hình thành từ một số aa nằm xa nhau trên chuỗi peptid, do có cấu trúc bậc 3 mà chúng gần nhau trong không gian để phối hợp thực hiện chức năng của protein. Các gốc amino acid thường tham gia vào trung tâm hoạt động là Cys với nhóm –SH; Ser, Tyr, Tre với nhóm –OH; Lys, Arg với nhóm –NH2; Glu, Asp với –COOH; His với nhóm imidazon. Những yếu tố ảnh hưởng tới trung tâm hoạt động là những yếu tố ảnh hưởng tới các liên kết trong cấu trúc bậc 3, từ đó ảnh hưởng tới hoạt tính protein. Trong cơ thể động vật, các yếu tố đó là nhiệt độ và độ pH, là những điều kiện tối ưu của protein chức năng. 2.2.4 Cấu trúc bậc bốn Là cách tập hợp, kết hợp với nhau của một số tiểu phần protein đã có cấu trúc bậc 3 tạo nên những tổ hợp phức tạp và qua đó tạo cho phân tử protein có 21
  22. đặc tính mới. Mỗi một chuỗi polypeptide đó được gọi là một tiểu đơn vị (subunit), chúng gắn với nhau nhờ các liên kết hydrogen, tương tác Vanderval giữa các nhóm phân bố trên bề mặt của các tiểu đơn vị để làm bền cấu trúc bậc IV. Ví dụ: Hb có 4 tiểu phần liên kết với nhau bằng cấu trúc bậc 4 theo hình tứ diện đều. Hình 1.11. Cấu trúc bậc IV của hemoglobin (hemoglobin là protein có 4 chuỗi polypeptide gồm 2 chuỗi α và 2 chuỗi β) Phân tử Phosphorylase thực hiện phản ứng phân giải glycogen thành gluco trong chuyển hóa đường, khi ở trạng thái dime (dạng phosphorylase b) chúng không hoạt lực, khi chuyển sang dạng Tetrame (dạng phosphorylase-a) thì chúng có hoạt lực. P P 4 ATP 4 ADP O - O O - O Protein - kinase O - O Phosphorylase b P P (dime) Phosphorylase a (tetrame) Cấu trúc bậc 4 có ý nghĩa rất quan trọng, đây chính là cách điều hòa hoạt tính của protein đồng thời cũng tiết kiệm được nguyên liệu. 3. Đặc tính lý hóa của protein 3.1. Protein tồn tại trong sinh vật ở trạng thái keo Môi trường trạng thái keo của protein là nước. Tiêu chuẩn của hệ keo phụ thuộc vào kích thước hạt hòa tan (1-150μm). Đặc tính của hệ keo là vừa có tính 22
  23. lỏng (tốc độ phản ứng như môi trường lỏng) vừa có đặc tính rắn (có hình thể nhất định). Protein là keo ưa nước vì protein mang những nhóm ưa nước (-NH2, - COOH, -OH). Keo protein có đặc tính điển hình của keo ưa nước như gây áp suất thẩm thấu thấp, khả năng khuếch tán ít; độ nhớt cao; khả năng hấp phụ các chất cao, vì nó có cấu trúc phức tạp, diện tích tiếp xúc với môi trường so với khối lượng rất lớn nên protein có đặc tính này. Các chất mà protein hấp thụ có thể là ở thể hơi, lỏng, rắn, chúng được liên kết với phân tử protein theo nhiều kiểu liên kết, liên kết này có thể bền nếu là liên kết hóa học hoặc không bền nếu là liên kết do sự hấp dẫn phân tử hoặc tĩnh điện. Điểm đáng chủ ý là hiện tượng hấp phụ của protein không hỗn loạn mà có tính đặc trưng rõ rệt mà điển hình là các phản ứng huyết thanh miễn dịch (kháng thể chỉ kết hợp với kháng nguyên tương ứng). Hiện tượng trương nở của protein cũng có bản chất là hiện tượng hấp phụ, chất hấp phụ ở đây là nước (protein khô có thể hấp phụ tới 50% khối lượng nước so với bản thân của chúng) và có khả năng khuếch tán ánh sáng, khi có ánh sáng đi qua dung dịch protein ta thấy được các tia khuếch tán, hiện tượng này gọi là hiện tượng tin đan. 3.2. Lưỡng tính và điểm đẳng điện Keo protein là keo ở trạng thái mang điện, có thể dương hoặc âm. Điện tích trong hạt keo là điện tích phân ly của các gốc amino acid dư nhóm carboxyl, nhóm amin. Điện tích dương hay âm phụ thuộc vào số lượng của các nhóm - - + COO và NH3 trong phân tử protein. Sự phân ly này còn phụ thuộc vào pH môi trường. Trị số pH môi trường làm cho trị số phân ly của các gốc đó tiến tới bằng nhau để điện tích trượt tiêu thì giá trị pH đó gọi là điểm đẳng điện, ký hiệu là pI. Tại điểm đẳng điện hạt keo protein không bền, vì nó mất một yếu tố là sức đẩy tĩnh điện. Điểm đẳng điện của đa số protein là nằm ở dưới 7, phía acid. Ví dụ: pI của cazein là 4.7, albumin là 4.8, globulin là 5.4. 3.3. Hiện tượng mất nguyên tính và sa lắng 23
  24. Protein tồn tại ổn định trong môi trường nhất định, khi môi trường thay đổi (pH và t0) làm ảnh hưởng tới cấu trúc bậc 3, tới điện tích, sẽ làm thay đổi tính chất của protein như khả năng xúc tác của các enzyme bị giảm sút hoặc mất hẳn, trường hợp đó gọi là trường hợp mất nguyên tính. Khi tác động của những yếu tố môi trường không sâu sắc hoặc quá nhanh thì phân tử protein có thể trở lại trạng thái ban đầu (hoàn nguyên - khôi phục lại nguyên tính). Nếu tác động của các yếu tố môi trường kéo dài và mạnh thì phân tử protein bị biến đổi cấu trúc mà phổ biến là cấu trúc bậc 3 hoàn toàn rối loạn, lúc đó một số thuộc tính của trạng thái keo bị mất như khả năng có điện tích, khả năng thủy hóa và các phân tử protein bị tụ lại với nhau kết tủa và sa lắng. 3.4. Tính đặc trưng sinh học Đây là sự khác nhau của các protein về mặt cấu trúc (trước hết là bậc 1) và chức năng như tính đặc hiệu của enzyme, hiện tượng choáng do việc truyền máu, hiện tượng không dung hòa khi vá da hoặc cấy ghép mô Các loại phản ứng này rất tinh vi và phức tạp. Tính đặc trưng sinh học này được di truyền chặt chẽ qua acid nucleic. 4. Phân loại protein Chưa có một cách phân loại nào phản ảnh tết nhất bản chất và số lượng của nhóm chất hữu cơ quan trọng này. Ngày nay, người ta có thể phân loại protein theo các cơ sở sau đây:  Dựa vào hình dạng của protein: Dựa và hình dạng của protein người ta tạm phân hình thể protein thành hai dạng: dạng cầu và dạng sợi. - Protein dạng cầu Protein dạng cầu là loại protein mà phân tử của nó thường cuộn lại thành vòng, thành búi, gần tròn hoặc bầu dục. Điển hình của dạng protein này là: Albumin, globulin ở trong, sữa, huyết thanh, enzyme pepsin, dịch vị. . . Loại này thường hoà tan trong nước. - Protein dạng sợi 24
  25. Protein loại này với mạch peptid không cuộn rõ, chỉ gấp nếp dọc chuỗi, nên nói chung có chiều dài rõ rệt. Điển hình của dạng protein này là: fibroin ở tơ tằm, miosin ở sợi cơ, colagen và elastin ở da và gân. Đặc tính của loại này là không hoà tan trong nước và có khả năng co giãn ở một chừng mực nào đó.  Dựa vào chức năng của protein - Protein co giãn cơ (actin, miosin của cơ) - Protein dự trữ (Femtin ở gan dự trữ sắt) - Protein men trao đổi chất (Pepsin dạ dày thuỷ phân protein) - Protein hormon (Insulin, vasopressin) - Protein kháng thể - Protein độc tố - Protein có chức năng đặc biệt (Hemoglobin mang oxygen, rodopsin trong quá trình thị giác, virus).  Dựa vào giá trị dinh dưỡng của protein Các nhà sinh vật học lại dựa vào giá trị dinh dưỡng hay tầm quan trọng của protein đối với sự sống để phân loại protein. Theo quan điểm này protein chia làm 2 loại: - Protein có giá trị dinh dưỡng không hoàn toàn Đó là những protein chứa không đầy đủ hoặc đầy đủ nhưng tỷ lệ không cân đối các acid amin thiết yếu. Loại này thường là các protein thực vật. - Protein có giá trị dinh dưỡng hoàn toàn Đó là những protein chứa đầy đủ với tỷ lệ cân đối các acid amin thiết yếu. Loại này thường là các protein động vật như trứng, sữa, thịt  Dựa vào cấu tạo hoá học của protein - Protein đơn giản Đấy là những protein khi bị thuỷ phân hoàn toàn sẽ cho ta các acid amin. Các đại diện chính của lớp này là albumin và globulin (là hai loại protein dạng cầu rất phổ biến trong cấu tạo của mô bào động vật và thực vật Thành phần gồm hoàn toàn các acid amin trong đó tỷ lệ acid amin có tính acid khá cao). 25
  26. - Protein phức tạp: được tạo thành từ các protein đơn giản kết hợp với các phân tử không phải protein (phi protein) như acid nucleic, lipid, carbonhydrat 5. Chuyển hóa phân tử protein 5.1. Sự phân giải phân tử protein Thủy phân là con đường phân giải protein phổ biến ở thực vật và động vật. Quá trình thủy phân protein xảy ra tại lysosome, nơi chứa nhiều enzyme thủy phân protein là protease. Quá trình thủy phân xảy ra qua 2 giai đoạn - Nhờ peptid-peptido hydrolase, protein bị thủy phân thành các đoạn peptid ngắn. - Nhờ peptid-hydrolase thủy phân tiếp các peptid thành amino acid. Kết quả chung là : protease Protein n Amino acid +(n-1)H2O 5.2. Các đường hướng chuyển hóa chung của amino acid Amino acid bị phân giải bằng con đường khác nhau. + Khử amine: Bằng nhiều con đường khác nhau, các amino acid bị khử nhóm amine tạo ra các sản phẩm tương ứng. Khử amin bằng các enzyme khử. Nhờ enzyme khử xúc tác, amino acid bị khử thành acid tương ứng và giải phóng NH3. Khử amin bằng con đường thủy phân : R – CH – COOH + H O R – CH – COOH + NH 2 3 NH OH 2 Khử amin bằng con đường oxy hóa R – CH – COOH + O R – C – COOH + NH 2 3 NH O 2 + Phản ứng chuyển amin Do enzyme transaminase thực hiện. Đây là enzyme phức tạp có nhóm ghép là pyrydoxal phosphat là dẫn xuất của vitamine B6. R1 R2 R21 R2 Transaminase 26 CH - NH2 + C =O C =O + CH - NH2 PLP COOH COOH COOH COOH
  27. + Phản ứng khử carboxyl: Phản ứng tạo các amin hữu cơ: CO 2 R - CH - COOH R - CH2 -NH2 decarboxylase NH2 (PLP) Phản ứng khử carboxyl là cơ chế tổng hợp một loạt hợp chất hữu cơ có hoạt tính sinh học. 5.3. Chu trình ure (ORNITHIN) Ở động vật có xương sống bao gồm cả loài có vú, chất cặn bã nitơ là urea được tổng hợp ở gan và được bài tiết qua nước tiểu và mô hôi và các dịch khác. + Trong tế bào gan NH4 được biến đổi thành urea qua chu trình urea. Chu trình này được xác lập từ năm 1932 bởi Hans Krebs và Kurt Henseleit. Chuỗi phản ứng tạo ure gọi là chu trình ornithin, xảy ra một phần ở ty lạp thể và một phần ở tế bào chất, vòng này được hoàn thành nhờ có sự tham gia của 5 enzyme: (1)Carbamoyl phospphat-synthetase (4) Argino succinase (2) Ornitin transcarbamoylase (5) Arginase (3) Argino succinat synthetase O (1) - + 2ADP + Pi NH3 + HCO3 + 2ATP H2N – C – O – P ë ty lạp thể Carbamoyl phosphat NH2 Pi (2) - + + OOC–CH–(CH2)3–NH3 NH Xitrulin 3 NH2 Ornitin CH–(CH2)3–NH – C =O COO- Ty lạp thể COO- (mitochondria) ATP CH2 Ure (5) CH + NH3 O - + 2Pi COO H N – C – NH AMP 2 2 H2O Tế bào chất 27 (cytosol) Aspartate 2Pi (3) H N NH + 2 2 COO-
  28. Hình 1.12. Chu trình ure (ornithin) 28
  29. CHƯƠNG II LIPID VÀ SỰ CHUYỂN HÓA PHÂN TỬ LIPID Giới thiệu: Lipid là lớp hợp chất hữu cơ phổ biến trong tự nhiên và trong cơ thể động vật, thực vật và vi sinh vật. Ở người và động vật chủ yếu là các mô mỡ dưới da, ở óc, sữa, Ở thực vật chủ yếu ở cây, hạt có dầu như đậu nành, đậu phộng, thầu dầu, oliu, hướng dương, cám Lipid có đặc tính không hoà tan trong nước, chỉ hoà tan trong các dung môi hữu cơ như ete, cloroform, benzen, cồn, aceton Không phải mọi lipid đều hoà tan như nhau trong tất cả các dung môi nói trên, mà mỗi lipid hoà tan trong dung môi tương ứng của mình, nhờ đặc tính này người ta có thể phân tích riêng từng loại. Mục tiêu: - Nắm vững các kiến thức về cấu tạo, vai trò và tính chất của lipid. - Phân tích được quá trình chuyển hóa lipid trong cơ thể sống. - Xác định được các tính chất đặc trưng của lipid. Nội dung chính: 1. Khái niệm và vai trò của lipid 1.1. Khái niệm Tên gọi lipid (bắt nguồn từ chữ Hy-lạp lipos: mỡ) dùng để chỉ chung các loại mỡ, dầu và các chất béo giống mỡ ở động vật và thực vật. Lipid được định nghĩa là những chất chuyển hoá của acid béo và tan được trong dung môi hữu cơ. Lipid rất phổ biến ở động vật cũng như ở thực vật và tồn tại dưới 2 dạng mỡ nguyên sinh chất (dạng liên kết) và dạng dự trữ (dạng tự do). - Mỡ nguyên sinh chất: là thành phần của màng tế bào cũng như các bào quan khác. Ví dụ: ty thể, lạp thể dạng này không bị biến đổi ngay cả khi con người bị bệnh béo phì hoặc bị đói. - Dạng dự trữ (dạng tự do) có tác dụng cung cấp năng lượng cho cơ thể, bảo vệ các nội quan, là dung môi cần thiết cho một số chất khác. Căn cứ vào thành phần hoá học người ta chia lipid ra làm 2 loại: 29
  30. - Lớp lipid đơn giản: là những ester của alcol và acid béo, trong phân tử chỉ chứa C, H, O. - Lớp lipid phức tạp: ngoài alcol và acid béo còn có chứa các dẫn xuất phospho, sulfua nghĩa là ngoài C, H, O còn có một số nguyên tố khác như N, P, S. 1.2. Vai trò của lipid Lipid đối với cơ thể sinh vật có nhiều ý nghĩa quan trọng. - Chức năng dự trữ năng lượng: Lipid là chất dự trữ năng lượng, tiết kiệm thể tích nhất, khi oxi hóa 1 gam mỡ cơ thể thu được 9,3 Kcal. Đem so với lượng cảm của một gam đường hoặc protein (4,l Kcal/1gram). Cung cấp lượng năng lượng rất cao cho cơ thể, gấp 2,5 lần so với protein. Nhu cầu năng lượng hàng ngày của động vật do mỡ cung cấp khoảng 30-40% hoặc hơn nữa tùy loài động vật và trạng thái sinh lý của cơ thể. - Tham gia vào cấu trúc cơ thể (màng tế bào, nhân tế bào). Chức năng quan trọng nhất của lipid là cấu tạo màng tế bào (màng sinh học). Trong màng sinh học lipid ở trạng thái liên kết với protein tạo thành hợp chất lipoproteid. Chính nhờ tính chất của hợp chất này đã tạo cho màng sinh vật có được tính thẩm thấu chọn lọc, tính cách điện. Đó là những thuộc tính hết sức quan trọng của tế bào sinh vật, màng các cơ quan tử của nó. - Cung cấp các acid béo quan trọng cho cơ thể, điều hòa hoạt động cho cơ thể (nội tiết tố, chất béo nội tạng ). Một acid béo rất cần thiết mà cơ thể không tự tổng hợp được mà cần phải cung cấp cho cơ thể là linoleic acid. Thiếu chất này da bị viêm và khô, bong vẩy, sự tăng trưởng cơ thể giảm. - Chức năng dung môi hoà tan vitamine. Lipid là dung môi hoà tan nhiều loại vitamine quan trọng như vitamine A, D, K, E (nhóm vitamine hòa tan trong lipid). Vì thế, nếu khẩu phần thiếu lipid lâu ngày thì động vật dễ mắc bệnh thiếu vitamine kể trên. - Làm cofactor trợ giúp hoạt động xúc tác của enzyme, chất vận chuyển điện tử, là sắc tố hấp thu ánh sáng, yếu tố nhũ hóa, hormone và các chất vận chuyển thông tin nội bào. 30
  31. - Chức năng bảo vệ cơ học. Lipid dưới da của động vật có tác dụng gối đệm và giữ ấm cho cơ thể nhờ tính êm, dẫn nhiệt kém. Bảo vệ trước tác dụng cơ học. - Chức năng cung cấp nước nội sinh. Đối với loài động vật ngủ đông, động vật di cư, các loại sâu kén lipid còn là nguồn cung cấp nước, vì khi oxi hóa l00g mỡ thì có l07g nước được sinh ra. - Đối với cơ thể 4% sức nặng cơ thể là chất béo, chúng có mặt hầu hết trong các bộ phận của cơ thể, cơ bắp, thần kinh trung ương. Ngoài ra, lipid còn có thể liên kết với nhiều chất đơn giản khác thành những phức hợp có tính chất sinh học khác nhau. Những phức hợp ấy giữ vai trò quan trọng trong các hoạt động về thần kinh và bắp thịt. 2. Thành phần cấu tạo của lipid Về mặt hoá học lipid là những ester giữa alcol và acid béo. Hình 2.1 Cấu tạo lipid Acid béo là thành phần không thể thiếu của tất cả lipid, là đơn vị cấu tạo của lipid. Đã phát hiên hơn 70 acid béo có từ 14-22 C (có số carbon chẵn), nhiều nhất là loại có 16C, 18C, 20C. Acid béo thường gặp là những acid béo có số carbon chẵn, mạch thẳng, có thể no hay không no. Tùy theo thành phần acid béo và rượu mà có các lipid khác nhau. Ở thực vật, khả năng tổng hợp acid béo thường phong phú hơn ở động vật, nhất là một số acid béo giữ vai trò quan trọng như: - Acid linoleic (18C có 2 liên kết kép) C18H32O2: CH3-(CH2)4CH=CH-CH2-CH=CH-(CH2)7 – COOH - Acid linolenic (18C có 3 liên kết kép) C18H30O2: CH3-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH-CH2–CH=CH-(CH2)7 – COOH - Acid arachidonic (20C có 4 liên kết kép) C20H32O2: 31
  32. CH3-(CH2)4-CH=CH-CH2-CH=CH-CH2–CH=CH-CH2–CH=CH-(CH2)3–COOH Những loại acid béo này đối với cơ thể động vật gọi là “lipid cần thiết” và còn được gọi là vitamine F, chúng có tác dụng quan trọng trong quá trình sinh trưởng và phát triển mô bào, giúp cho quá trình phân bào. Ở nhiệt độ phòng, lipid động vật (mỡ), thường ở trạng thái rắn (mỡ bò, mỡ cừu ). Lipid loại này chứa chủ yếu các gốc acid béo no. Một số ít lipid động vật ở trạng thái lỏng (dầu cá ), do thành phần gốc acid béo không no tăng lên. Lipid thực vật (dầu thực vật) hầu hết ở trạng thái lỏng (dầu lạc, dầu dừa ) do chứa chủ yếu gốc acid béo không no. 3. Phân loại và các tính chất của lipid 3.1. Lipid đơn giản  Glycerid Là ester của rượu glycerol và acid béo bậc cao, là mỡ dự trữ phổ biến ở động vật và thực vật. α CH2O – CO – R1 β CHO – CO – R 2 α’ CH2O – CO – R3 Hình 2.2 Cấu tạo glycerid Trong glycerid nếu có 1 gốc R ta gọi là monoglycerid, nếu có 2 gốc R ta gọi diglycerid, và 3 gốc R-triglycerid. R1, R2, R3 là mạch carbon của các acid tương ứng. Các acid này có thể giống hoặc khác nhau. Trong tự nhiên thường là ở dạng triglycerid, dạng mono và diglycerid thì ít hơn nhiều. Dạng triglycerid “đơn” rất ít, chủ yếu là dạng “hỗn tạp”. Các R1,R2 và R3 thường là khác nhau. Các nguyên tử carbon của glycerol được đánh số 1,2,3 theo thứ tự từ trên xuống dưới. Các liên kết ester ở C1 và C3 cũng gọi là liên kết ester α (hoặc α và α’), còn liên kết C2 gọi là liên kết ester β. Số lượng gốc R (khác nhau) rất lớn, do đó nếu tại các vị trí α, α’, β ta lần lượt thay thế các gốc R khác nhau, ta sẽ có số lượng các đồng phân triglycerid 32
  33. khá lớn. Ví dụ: nếu có 5 gốc R khác nhau tham gia cấu tạo triglycerid thì ta thu được 75 dạng cấu tạo triglycerid khác nhau. Ngoài ra, triglycerid còn có các dạng đồng phân L và D, triglycerid chất béo tự nhiên có dạng L. Như vậy, chất béo tự nhiên là một hỗn hợp cực kỳ phức tạp, đa dạng của các triglycerid đơn và phức. Tuy nhiên, trong thành phần chất béo tự nhiên ngoài triglycerid, còn có các acid béo tự do, photphatid, sterin, carotenoit, vitamine (cần lưu ý rằng triglycerid tự nhiên thuộc dãy L). Ví dụ: trong dầu thực vật ta thấy hàm lượng glycerid thường 95-96%, acid béo tự do 1-2%, photphatide 1-2%, sterin 0,3-0,5%, và ngay cả carotenoid và các vitamine cũng có mặt với một lượng rất nhỏ.  Sáp (cerid) Cerid là những ester của rượu và acid béo, có ở động thực vật. Ở thực vật sáp tạo thành lớp mỏng bao phủ lấy thân, lá, quả. Lớp sáp bao phủ ở quả giữ cho chúng khỏi bị thấm nước vào, khỏi bị khô và khỏi bị vi sinh vật làm hại. Khi lớp sáp trên bề mặt quả bị vi phạm, quả dễ bị hỏng trong quá trình bảo quản. Ở nhiệt độ thường sáp ở thể rắn, không tan trong nước, ít tan trong rượu, nhưng tan trong dung môi hữu cơ. Nhiệt độ nóng chảy từ 83 – 90ºC. Sáp được ứng dụng rộng rãi để làm nến, sáp bôi và các thuốc cao, đại diện đáng chú ý là sáp có ở động vật như sáp ong, lông cừu (lalonin). Sáp ong bảo vệ ấu trùng ong phát triển bình thường và bảo vệ cho ong khỏi bị hư hỏng. Lalonin giữ cho lông cừu khỏi bị thấm ướt. Lalonin được dùng nhiều trong y học và trong công nghệ mỹ phẩm. Một số sáp đặc trưng như: - Spermacet Spermacet là ester của rượu cetol và palmitic acid, có trong dịch lỏng của xoang sọ cá voi, cá nhà táng công thức cấu tạo gồm: Loại alcol cetylic còn gặp trong mỡ nhờn ở phao câu gà, vịt. Người ta cho rằng spermacet có tác dụng làm lớp bảo vệ lông và da động vật đối với ảnh hưởng của nước. 33
  34. Ngoài ra, sáp ong và sáp cá voi còn có rượu tự do, acid béo tự do và hydrocarbon. - Lanolin (sáp len) Lanolin là hỗn hợp nhiều ester của acid béo và rượu. Loại chất này có nhiều ở lông cừu lanolin dễ ngấm nước thành chất quánh nhuyễn dùng trong kỹ nghệ nước hoa, xà phòng, vật liệu cách điện, sơn, làm khuôn in, bút chì, phục hồi các bức tranh. Trong các thành phần của sáp, ngoài các ester của alcol với acid béo phân tử lớn, còn có các hydrocarbon, acid béo tự do và alcol phân tử lớn tự do. Sáp cũng được tìm thấy trong than đá, than bùn, gọi là sáp khoáng. Sáp khoáng có chứa acid montanic và ester của nó. So với mỡ trung tính, tất cả các sáp đều bền hơn dưới tác dụng của ánh sáng, nhiệt, các chất oxi hóa và các yếu tố khác. Ngoài ra, sáp cũng khó bị thủy phân, do đó dễ dàng bảo quản trong thời gian dài.  Sterid Là ester của rượu sterol và acid béo. Sterol tiêu biểu là cholesterol, acid mật. Sterol có thể chuyển hóa thành các chất điều hòa sinh học khác nhau (các hormone sinh dục, hormone corticoid, vitamine D, dẫn suất acid mật ) và tham gia tạo thành màng tế bào. Acid béo thường là palmitic, oleic, ricinoleic Sterid cũng như sterol, là chất rắn không màu, không tan trong nước, tan trong dung môi hữu cơ như ete, chlorofooc Các sterid có thể bị thủy phân dưới tác dụng của kiềm hoặc enzyme tương ứng. Sterol bền với các yếu tố thủy phân Các sterid quan trọng ở động vật gồm các sterol mà tiêu biểu là cholesterol và các dẫn xuất acid mật, muối mật, vitamine D, các hormone steroid. 3.2. Lipid phức tạp Là ester của rượu đa chức với các acid béo bậc cao và có thêm thành phần phụ như gốc acid phosphoric, base có nitơ 34
  35. Lipid tự do có nhiệm vụ cung cấp năng lượng, hàm lượng luôn thay đổi. Lipid phức tạp có nhiệm vụ tham gia xây dựng các cấu tử của tế bào, hàm lượng không thay đổi hay rất ít thay đổi. Tùy theo gốc rượu tham gia trong thành phần, người ta chia phospho-lipid ra 3 nhóm lớn: - Glycerophospholipid (rượu là glycerin) hay phosphoglycerid hoặc photphatit - Inozitphospholipid (rượu là Inozit) - Sphingophospholipid (rượu là Sfingozin)  Glycerophospholipid (phosphatid) Ở vị trí C3 của glycerol, nhóm –OH bị ester hóa với acid phosphoric, do đó hợp chất này còn gọi là phosphatidat hoặc diaxyglycerol, có công thức cấu tạo chung của glycerophospholipid như sau: α CH2O – CO – R1 β CHO – CO – R2 O- α’ CH2O – P = O O- Phosphattidat Dẫn xuất của Phosphattidat Hình 2.3. Công thức cấu tạo glycerophospholipid Glycerophospholipid là diester của phosphoric acid. Một phía phosphoric acid liên kết với glycerol, phía kia liên kết với X. Tùy cấu tạo của X ta có các loại glycerophospholipid khác nhau. 35
  36. Tên gọi Các loại X Công thức cấu tạo X Hình 2.4. Một số loại glycerophospholipid Các gốc acid béo thường gặp trong phosphatidat là acid palmitic, stearic và các acid béo không no khác. Gốc acid phosphoric của phosphatidat có thể phản ứng với nhóm hydroxyl (-OH) của các chất khác như serin, etanolamin, cholin, glycerol, inozynto tạo thành dẫn xuất tương ứng. Phần lớn các phosphoglycerid gặp trong tự nhiên là dẫn xuất của phosphatidat và cũng thường được gọi là phosphatid.  Glyceroglycolipid Glycolipid là lipid phức tạp không chứa phospho, trong thành phần của chúng có chứa hexose, thường là galactose hay các dẫn xuất của galactose, đôi khi là glucose. Thuộc nhóm này có monogalactosyldiacylglycerid (MGDG), Digalactosyldiacylglycerid (DGDG) và Sulfoglucosylglycerid (sulfolipid) khá 36
  37. phổ biến trong lục lạp và các thành phần khác của tế bào ở lá. Vai trò chất này chưa rõ, nhưng người ta cho rằng các galactosylglycerid có vài trò quan trọng trong trao đổi chất. Hình 2.5. Một số loại glyceroglycolipid  Sphingolipid Là những lipid phức tạp không chứa phospho, trong thành phần có cấu tử glucid, thường là galactose hoặc các dẫn xuất của galactose (N- Acetyl galactozamin). Gồm 2 nhóm: - Cerebroside: Được tạo nên từ amin rượu 2 nguyên tử chưa no sphingosine, acid béo và galacactose. Các cerebroside khác nhau bởi gốc R. Trong phân tử cerebroside rượu sphingosine liên kết với acid béo bằng liên kết peptide, với galactose (X) bằng liên kết glucosidic. Các cerebroside khác nhau về thành phần acid béo, có nhiều trong mô thần kinh, hồng cầu, bạch cầu, tinh trùng 37
  38. Các chất điển hình của cerebroside như cerebron (frenozin), keratin, nervon. Ở não, người ta phát hiện cerebroside có chứa lưu huỳnh. - Ganglyoside: là những glycolipid cao phân tử phức tạp nhất, gồm acid béo (thường là stearic), sphingosine, galactose, glucose galactosamin và acid neuraminic. Trong thiên nhiên, neuraminic thường có ở dạng N-acetyl và N- glycosyl. Cấu tạo giống cerebroside nhưng X là phức hợp oligosaccharide. Hình 2.6. Công thức cấu tạo Ganglyoside Ganglyoside có vai trò đảm bảo chức năng bình thường của hệ thần kinh. 4. Chuyển hóa lipid Dưới tác dụng của lipase, các lipid bị thủy phân thành các glycerin, acid béo, và một số thành phần khác tham gia cấu tạo nên lipid. 4.1. Chuyển hóa glycerin 4.1.1 Sự phân giải glycerin Glycerin được biến đổi thành glycerol 3P nhờ xúc tác của enzyme glycerol kinase, sau đó bị oxi hóa thành glyceraldehit 3P. Sự phân giải này theo 2 chiều hướng, tiếp tục bị oxi hóa trong phản ứng đường phân và chu trình Krebs để biến hoàn toàn thành CO2, và H2O và năng lượng, hoặc bằng các phản ứng ngược với đường phân để tổng hợp nên saccharide hoặc sẽ đi theo con đường lên men lactic. Để tham gia vào quá trình tổng hợp chất béo, glycerol ở dạng glycerophosphate. Glycerophosphate được tạo ra từ quá trình đường phân. Quá trình phân giải và tổng hợp glycerin được hình thành theo sơ đồ sau: 38
  39. CH2OH CH2OH CH2OH ATP ADP NAD+ NADH+H+ CHOH CHOH CH=O Glycerolphosphat glycerol kinase CH O - P dehydrogenase CH O - P CH2OH 2 2 Glyceraldehyt -3-phosphate glycerolphosphate Glycerin CH2O P C=O OH -C-H H-C-OH glyceraldehyde H-C-OH -3-phosphat CH O - P có O2 2 CHO Fructose 1,6 axetyl CoA 2 vòng O Diphosphat ó CHOH c Kreb H3C-CO-S-CoA g n ô CH O - P h 2 k acid lactic H3C-CHOH-COOH Hình 2.7. Sơ đồ phân giải glycerin 4.1.2 Tổng hợp glycerin CH2OH NADH+H+ NAD+ CH2OH Đường CH2OH O phân C = O CH-OH OH dehydrogenase OH CH2O – P HO CH2O – P OH dihydroxyl glyxerol Glucose axeton phosphat ADP phosphat ATP CH2OH glycerol glycerin kinase CHOH CH2OH Hình 2.8. Sơ đồ tổng hợp glycerin 4.2. Chuyển hóa acid béo (Chu trình β - oxi hóa) Acid béo được mô mỡ chuyển về gan để được oxi hóa, hàm lượng này thường ổn định. Acid béo không thể tự vận chuyển trực tiếp vào ti thể để tham gia quá trình oxi hóa, mà phải được hoạt hóa. 39
  40. ATP AMP+PPi R– CH2 – CH2 – C– S – CoA CH3 R– CH2 – CH2 – C– OH + O CH3–N -CH2–CH–CH2–COOH Acid béo O Thiokinase Axyl CoA (dạng hoạt hóa) CH3 OH CoASH t Carnitin ra n s Bên ngoài ti thể fe ra CoASH se CH3 – C– S – CoA CH O axetyl-CoA 3 CH –N+-CH –CH–CH –COOH CoASH 3 2 2 O CH3 Axyl-carnitin R– C – CH – C– S – CoA O=C– R 2 iolase th O O -xetoaxyl-CoA ể NADH+ H+ R–CH –CH –C–S–CoA e 2 2 th s a n ti e O g Axyl-CoA o r d y β – Oxi hóa h - H e 2 FAD d NAD FADH2 trong e s R– CH – CH2 – C– S – CoA a n e g o OH O H2O - H r 2 d y Bên h -hydroxyl-axyl-CoA e R– CH=CH– C– S– CoA d O enoyl-CoA enoyl hydrasidase Hình 2.9. Sơ đồ chuyển hóa acid béo Quá trình trên cứ lặp đi lặp lại cho đến khi phân cắt hoàn toàn mạch carbon của acid béo. Sự β –oxi hóa acid béo được Lynen trình bày dưới dạng vòng xoắn ốc, mỗi vòng xoắn sẽ tách ra một acid 2 C là acetyl CoA và 4 nguyên tử hydro, còn mạch C của axyl CoA cứ mỗi vòng xoắn lại rút ngắn đi 2 C. Đối với các acid béo có số carbon chẵn qua quá trình β –oxi hóa sẽ bị phân cắt hoàn toàn thành acetyl CoA. Với số acid béo có số carbon lẻ, ngoài các phân từ acetyl CoA còn tạo ra một phân tử Propionyl CoA. Quá trình β –oxi hóa xảy ra bên trong ti thể. Các phần tử acetyl CoA được tạo thành được sử dụng trong quá trình đồng hóa như sinh tổng hợp acid béo và 40
  41. các dẫn xuất của lipid, là nguồn để tạo nên các chất ceton hoặc bị oxi hóa hoàn toàn qua chu trình Krebs. + Năng lượng quá trình β –oxi hóa tạo ra là 1 FADH2 = 2ATP, 1NADH+H = 3ATP, 1acetyl-CoA vào chu trình Krebs tạo 12ATP. Như vậy, quá trình β – oxi hóa sẽ tạo được năng lượng 17ATP. 4.3. Tổng hợp acid béo Acid béo được tổng hợp ở tế bào chất của tế bào, nó được tiến hành ở hầu hết các mô bào nhưng mạnh nhất ở tế bào gan và mô mỡ. Nguyên liệu để tổng hợp acid béo là acetyl – CoA. Chỉ một phân tử acetyl – CoA cần thiết cho quá trình đóng vai trò là chất khởi đầu đi vào chuỗi carbon của acid béo dạng nguyên thể, còn các phân tử acid axetic hoạt động trước hết phải được carboxyl hoá và đi vào chuỗi carbon của acid béo dưới dạng malonyl – CoA. Quá trình tổng hợp acid béo được xúc tác bởi tổ hợp enzyme tổng hợp acid béo, tổ hợp này gồm: ACP (Axyl Carrier Protein) – Protein gắn hoặc mang nhóm Axyl có chứa pantoten mang nhóm SH, nhóm SH của ACP được gọi là SH trung tâm và ACP sẽ cố định ở giữa tổ hợp, xung quanh nó là 6 enzyme. Sơ đồ vòng xoắn Linen Weykin (tổng hợp acid béo) CH – COO- ATP ADP COOH 2 ATP ADP+Pi CH3 CH HO – C – COO- CO-S.CoA 2 Carboxylase CO-S.CoA - CoASH CO2 CH2 – COO Axetyl CoA kinase Citrat Malonyl CoA ACP.SH butyryl ACP CoA.SH COO- Oxaloaxetat CH2- CH2 - CH3 axyl CO CO-S.ACP transferase COOH CH – COO- NAD+ 2 CH2 Malonyl ACP CO-S.ACP Dehydrogenase CH NADH+H+ 3 CO-S.CoA axyl CH = CH- CH transferase 3 CoA.SH CO-S.ACP acotiny ACP COOH carboxyl ceto H O butyryl ACP CH-CO-CH3 2 Hydra sidase CO-S.ACP CH -CHOH-CH CO 2 3 NAD+ NADH+H+ CH2 -CO-CH3 2 CO-S.ACP CO-S.ACP -hydroxyl-butyryl ACP -cetobutyryl ACP Dehydrogenase 41
  42. Hình 2.10. Sơ đồ tổng hợp acid béo 42
  43. CHƯƠNG III GLUCID VÀ SỰ CHUYỂN HÓA PHÂN TỬ GLUCID Mục tiêu: - Nắm vững các kiến thức về cấu tạo, vai trò và tính chất của glucid. - Phân tích được quá trình chuyển hóa glucid trong cơ thể sống. - Xác định được các tính chất đặc trưng của glucid. Nội dung chính: 1. Khái niệm và vai trò của glucid Glucid (còn gọi là saccharide hoặc hydratcarbon) là những hợp chất hydratcarbon có chứa nhóm aldehyde hoặc ceton (ở các monosaccharide) hoặc tạo thành những chất như vậy khi bị thủy phân, là những chất đường bột, chất xơ, là nguồn dinh dưỡng quan trọng hàng ngày của mọi cơ thể sinh vật. Glucid phổ biến khá rộng rãi trong cơ thể sinh vật. Nhìn chung, glucid ở thực vật cao hơn động vật. Glucid có nhiều vai trò quan trọng như cung cấp năng lượng cho cơ thể (cung cấp 60% năng lượng cho các quá trình sống), tham gia cấu trúc, bảo vệ, góp phần đảm bảo tương tác đặc hiệu của tế bào v.v 2. Phân loại glucid 2.1. Monosaccharide Monosaccharide (từ tiếng Hy Lạp monos : duy nhất, sacchar: đường) Monosaccharide là dẫn xuất của rượu đa nguyên tử, chứa đồng thời các nhóm chức rượu (-OH) và chức aldehyde (-CHO) hoặc ceton (=CO). Ví dụ: aldehyde glyceric và dioxylaceton là hai monosaccharide đơn giản nhất, chúng được tạo thành khi oxyl hóa rượu glycerin. O C - H CH2OH CH2OH - 2H - 2H CHOH CHOH C = O CH2OH CH2OH CH2OH Aldehide glyceric Glycerin Dioxylaceton Các monosaccharide có nhóm aldehyde được gọi là aldose, các monosaccharide có nhóm ceton được gọi là cetose (keton). Một số loại Aldose tiêu biểu như D-Glucose, D-Malnose, D-Ribose 43
  44. D-Glucose D-Malnose D-Ribose Một số cetose có thể kể đến như: D-Ribulose, D-Fructose, D-Xylulose D-Ribulose D-Fructose D-Xylulose Trong thiên nhiên monosaccharide có chứa từ 2 đến 7 carbon và được gọi tên theo số carbon Tùy theo số carbon có trong phân tử mà monosaccharide được phân thành các nhóm triose (3C); tetrose (4C), pentose (5C); hexose (6C) - Triose (C3H6O3): Đại diện là glycerose (glyceraldehyde) - Tetrose (C4H8O4): Đại diện là Erythrose, Threose - Pentose (C5H10O5): Đại diện là Ribose, Deoxylribose, Arabinose, Xylose - Hexose (C6H12O6): Đại diện là Glucose, galactose, Allose, manose 2.2. Disaccharide Là một Oligosaccharide do sự kết hợp của 2 monose cùng loại hay khác loại nhờ liên kết glucosidic. Liên kết glucosidic có thể được tạo thành giữa -OH glucoside của monose này với -OH glucoside của monose kia, hay giữa một nhóm -OH glucoside của monose này với -OH (không phải -OH glucoside) của monose kia. Một số disaccharide tiêu biểu: 44
  45. - Maltose do 2 phân tử α- D-glucose liên kết với nhau ở vị trí C1 - C4 tạo thành. Maltose có nhóm -OH glucoside ở trạng thái tự do nên có tính khử. Maltose có nhiều trong mầm lúa và mạch nha (maltum) nên gọi nó là maltose. Hình 3.1. Công thức cấu tạo maltose - Lactose (đường sữa) do một phần tử β D-galactose liên kết với một phân tử β D- glucose ở vị trí C1- C4. Hình 3.2. Công thức cấu tạo lactose - Saccharose do một phần tử α D-glucose liên kết với một phân tử β D- fructose ở vị trí C1-C2. Do đó nó không có tính khử, còn gọi là đường mía vì có nhiều trong mía. Dễ bị thủy phân khi đun nóng. Hình 3.3. Công thức cấu tạo saccharose 2.3. Polysaccharide Còn gọi là glycan, đóng vai trò quan trọng trong đời sống động vật, thực vật. Một số polysaccharide thường gặp như tinh bột, glycogen, cellulose 2.3.1. Tinh bột Là polysaccharide dự trữ của thực vật, do quang hợp tạo thành. Trong củ và hạt có từ 40 đến 70% tinh bột, các thành phần khác của cây xanh có ít hơn và chiếm khoảng từ 4 đến 20%. 45
  46. Tinh bột không hòa tan trong nước, đun nóng thì hạt tinh bột phồng lên rất nhanh tạo thành dung dịch keo gọi là hồ tinh bột. Tinh bột có cấu tạo gồm hai phần: amylose và amylopectin, ngoài ra còn có khoảng 2% phospho dưới dạng ester. Tỷ lệ amylopectin/amylose ở các đối tượng khác nhau là không giống nhau, tỷ lệ này ở gạo nếp là lớn hơn gạo tẻ. - Amylose Chiếm 15 đến 25% lượng tinh bột, do nhiều gốc α -D- glucose liên kết với nhau thông qua C1-C4 tạo thành mạch thẳng không phân nhánh. Trong không gian nó cuộn lại thành hình xoắn ốc và được giữ bền vững nhờ các liên kết hydro. Theo một số tài liệu trong amylose còn có chứa các αD- glucopyranose dạng thuyền. Hình 3.4. Công thức cấu tạo amylose Amylose bắt màu xanh với iodine, màu này mất đi khi đun nóng, hiện màu trở lại khi nguội. Một đặc trưng hóa lý khác cần chú ý là nó bị kết tủa bởi rượu butylic. - Amylopectin: Cấu tạo do các phân tử α D- glucose liên kết với nhau, nhưng có phân nhánh. Chổ phân nhánh là liên kết C1-C6 glucosidic. Hình 3.5. Công thức cấu tạo amylopectin 2.3.2 Cellulose Được cấu tạo bởi những phân tử α D-glucose liên kết với nhau bằng liên 46
  47. kết 1-4 glucosidic. Chúng là thành phần chủ yếu của vách tế bào thực vật. Đối với người thì cellulose không có giá trị dinh dưỡng vì cellulose không bị thủy phân trong ống tiêu hóa, nhưng vai trò quan trọng trong điều hòa tiêu hoá. Động vật ăn cỏ thủy phân được cellulose nhờ enzyme cellulase. Cellulose không tan trong nước, tan trong dung dịch Schweitzer. Khi đun nóng với H2SO4, cellulose sẽ bị thủy phân thành các phân tử α D-glucose. Cellulose có dạng hình sợi dài, nhiều sợi kết hợp song song với nhau thành chùm nhờ các liên kết hydro, mỗi chùm (micelle) chứa khoảng 60 phân tử cellulose. Giữa các chùm có những khoảng trống, khi hoá gỗ khoảng trống này chứa đầy lignin và ta xem lớp lignin này như là một lớp cement. Lignin là chất trùng hợp của coniferylic alcohol Hình 3.6. Cấu tạo cellulose Các gốc -OH của cellulose có thể tạo ester với acid ví dụ: tạo nitro cellulose với HNO3, tạo axetyl cellulose với CH3COOH. 2.3.3. Glycogen Là polysaccharide dự trữ ở động vật được tìm thấy trong gan và cơ, hiện nay còn tìm thấy trong một số thực vật như ngô, nấm. Có cấu tạo giống amylopectin nhưng phân nhánh nhiều hơn, bị thuỷ phân bởi phosphorylase (có coenzyme là pyrydoxal phosphate), để cắt liên kết 1-6 cần enzyme debranching. Sản phẩm cuối cùng là các phân tử glucose-1-P. 47
  48. Mạch chính Hạt glycogen ở tế bào gan Hình 3.7. Cấu tạo và hình ảnh glycogen 3. Tính chất lý học và hóa học của glucid - Lý tính: Tan trong nước, ít tan trong rượu, không tan trong dung môi hữu cơ (ete, chlorofooc,benzen), tan trong dung dịch etanol 80%, có vị ngọt, có khả năng quay cực (trừ biose vì không có bất đối C* - vị trị C xa nhất so với nhóm carbonyl). - Hoá tính: + Là tác nhân khử: do nhóm chức aldehyde hoặc ceton đảm nhận. Trong môi trường kiềm, khử các ion kim loại nặng có hoá trị cao thành hóa trị thấp hay các ion kim loại thành kim loại, nhóm aldehyde hay nhóm ceton tạo ra và các monose biến thành acid. Ví dụ: Cu2+ bị biến đổi thành Cu+ trong phản ứng với thuốc thử Fehling, Ag+ bị biến đổi thành Ag trong phản ứng tráng gương. + Phản ứng với các chất oxi hóa: Tuỳ thuộc vào chất oxi hóa Chất oxi hóa nhẹ như nước brom đường aldose sẽ thành aldonic acid, với ketose phản ứng không xảy ra. Chất oxi hóa mạnh như HNO3 đậm đặc có sự oxi hóa xảy ra ở 2 đầu cho ta di acid. Trường hợp đặc biệt nếu ta bảo vệ nhóm -OH glucoside bằng cách methyl hóa hay acetyl hóa trước khi oxi hóa bằng nước brom, sản phẩm tạo thành là uronic acid. + Phản ứng với chất khử: Dù dạng vòng chiếm tỷ lệ rất lớn trong thành phần, dạng thẳng chiếm tỷ lệ nhỏ nhưng đủ để cho ta thấy rõ tính chất của một carbonyl thật sự. Khi bị khử, monose sẽ biến thành polyalcohol. + Phản ứng tạo furfural: Dưới tác dụng của acid đậm đặc, các aldopentose tạo thành furfural và aldohexose biến thành hydroxymethylfurfural. Các sản phẩm này khi cho tác dụng với các phenol cho màu đặc trưng như naphthol cho 48
  49. vòng màu tím (Molisch). Đây là phản ứng để phân biệt đường với các chất khác. Phân tử đường 5C sẽ cho màu xanh cẩm thạch với orcinol (Bial). + Phản ứng ester hoá: Các gốc rượu của monose có khả năng kết hợp với acid để tạo thành ester. Các ester phosphate thường gặp là: Glucose-6- phosphate, fructose 6-phosphate 4. Chuyển hóa glucid Chuyển hóa glucid là các quá trình phân giải các saccharide thành dạng năng lượng để cung cấp cho hoạt động sống của cơ thể. Sau khi saccharide bị phân giải thành các loại đường đơn khác nhau thì tùy vào điều kiện môi trường mà các loại đường đơn này sẽ được phân giải theo các chu trình khác nhau. 4.1. Chu trình EMP Chu trình EMP được phát hiện vào năm 1933 bởi Embden, Mayerhof và Parnas. Đây là một quá trình phức tạp, được xúc tác bởi nhiều enzyme và không có sự tham gia của oxi (lên men kỵ khí). Hình 3.8: Sơ đồ chu trình EMP Sản phẩm lên men theo chu trình AMP đa số là acid lactic. Chỉ một lượng nhỏ pyruvate bị khử carbon để tạo thành acid axetic, etanol, CO2 và aceton. Lượng sản phẩm phụ tạo thành phụ thuộc vào sự có mặt của oxy. 49
  50. Ứng dụng chu trình EMP - Sản xuất acid lactic Nguyên liệu dùng để sản xuất acid lactic là: rỉ mật, đường, tinh bột đã được đường hoá. Nồng độ đường sử dụng cho quá trình lên men lactic từ 8 đến 20%. Nếu nguyên liệu là rỉ mật phải làm trong để loại bỏ các hợp chất chứa nitơ. - Xử lý môi trường ao nuôi Quá trình lên men lactic xảy ra rất tốt trong môi trường acid, tuy nhiên vi khuẩn lactic không có khả năng chịu được nồng độ acid quá cao. Khi nồng độ acid quá cao sẽ ảnh hưởng đến sự phát triển của vi khuẩn, vì vậy cần phải điều chỉnh độ pH của môi trường từ 6,3 ÷ 6,5. Trong thực tế sản xuất người ta thường xuyên bổ sung vôi tôi hoặc carbonat calci để giữ pH của môi trường không thay đổi. Acid lactic thu được sẽ ở dạng muối calcilactate, được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, ví dụ như làm dung môi cho công nghiệp sản xuất sơn, vecni, nhuộm và thuộc da Nhiệt độ tối ưu cho quá trình lên men lactic là 50oC, trong quá trình lên men lactic có nhiều vi khuẩn tham gia vì vậy sản phẩm thu được ngoài acid lactic còn có CO2 và một số sản phẩm phụ khác. Người ta sản xuất acid lactic rồi tinh chế thành acid lactic tinh khiết để ứng dụng vào trong ngành công nghệ thực phẩm, thay thế acid citric trong sản xuất bánh kẹo, đồ hộp - Chế biến các sản phẩm sữa Trong sữa chứa đường, cazein và các loại muối khoáng khác nên là môi trường thuận lợi cho vi sinh vật phát triển. Trong sữa bình thường chứa khá nhiều vi sinh vật (khoảng 300 đến 400 tế bào/1ml), vi sinh vật xâm nhập vào sữa bằng nhiều con đường khác nhau. Để sản xuất các sản phẩm sữa khác nhau người ta dùng các giống vi khuẩn lactic khác nhau. Ứng dụng vi sinh vật vào trong chế biến sữa được biết từ rất lâu. + Sản xuất sữa chua: nguyên tắc làm sữa chua là do sự phát triển của vi khuẩn lactic làm pH giảm mạnh, cazein trong sữa bị đông tụ. Sữa từ dạng lỏng chuyển sang dạng keo sệt và có mùi vị thơm ngon. Quá trình làm sữa chua người ta phải sử dụng hai chủng vi khuẩn lactic đồng hình và dị hình. Vi khuẩn 50
  51. lactic đồng hình lên men nhanh làm giảm pH, vi khuẩn lactic dị hình lên men chậm và tạo thành mùi thơm đặc trưng của sữa chua. + Sản xuất phomat: để sản xuất phomat người ta dùng enzyme đông kết thu cazein trong sữa, sau đó tiếp tục cho lên men với nồng độ muối loãng. Tuỳ loại phomat mà trong quá trình ủ chín người ta sử dụng các loài vi sinh vật khác nhau. Các loại vi sinh vật thường được sử dụng để làm chín phomat là: vi khuẩn propionic, nấm mốc - Muối chua rau quả Muối chua rau quả nhằm hai mục đích cơ bản sau đây: bảo quản nguyên liệu và làm tăng giá trị dinh dưỡng, giá trị cảm quan của rau quả. Nguyên tắc để muối chua rau quả là tạo điều kiện để phát triển vi khuẩn lactic đồng thời hạn chế tác dụng của vi khuẩn gây thối rữa. Hiện nay, có rất nhiều sản phẩm rau quả muối chua được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam cũng như trên thế giới. Thông thường muối chua rau quả người ta sử dụng 3% lượng muối so với rau quả. Nếu nồng độ muối thấp thì rau quả dễ bị thối. Nếu nồng độ muối quá cao thì quá trình lên men chậm, sự tạo thành acid lactic giảm.Tác dụng của một số quá trình cơ bản trong muối chua rau quả. + Quá trình phơi nắng: làm giảm lượng nước có trong nguyên liệu. + Cho thêm muối, đường: tạo áp suất thẩm thấu, làm nguyên liệu dễ nén chặt, không bị nát và trở nên giòn. Làm tăng nhanh quá trình lên men. Nhiệt độ thích hợp cho quá trình lên men là 26 ÷ 35oC. Tuy nhiên, ở nhiệt độ này vi khuẩn butyric có thể phát triển mạnh nên trên thực tế người ta khống chế ở nhiệt độ trong khoảng 20 ÷ 25oC. Thông thường vi khuẩn lactic chịu được nhiệt độ thấp hơn so với vi khuẩn khác, vì vậy trong muối chua cần tăng nhanh độ acid để loại trừ khả năng nhiễm của một số loài vi sinh vật khác. - Ủ chua thức ăn gia súc Từ lâu người ta đã biết sử dụng quá trình lên men lactic để ủ chua thức ăn gia súc. Nguyên liệu dùng làm thức ăn cho gia súc nếu đem phơi khô sẽ làm giảm 50% giá trị của chúng. Nhưng nếu ta đem ủ chua thì chỉ giảm khoảng 10% giá trị. Đặc biệt bằng phương pháp ủ chua sẽ tăng nhiều chỉ số dinh dưỡng khác 51
  52. của thức ăn. Một trong những phương pháp phổ biến là ủ chua thức ăn thủ công. Các loại thức ăn gia súc là thực vật được băm nhỏ rồi cho vào vật chứa, cho thêm một ít nước vo gạo. Sau đó ủ kín 1 đến 2 ngày và cho gia súc ăn. Nhiệt độ thích hợp cho khối ủ là 25 ÷ 30oC. Hiện nay trong quá trình ủ chua người ta còn còn cho thêm muối với nồng độ từ 0,1 ÷ 0,5% so với nguyên liệu. Cho thêm muối để làm tăng khả năng trích ly các chất và tăng cường khả năng trao đổi chất của vi sinh vật. 4.2. Chu trình Krebs Khi mô bào được cung cấp đủ oxi thì quá trình khai thác năng lượng sẽ đi theo quá trình oxi hóa khử với sự tham gia của chuỗi hô hấp (có oxi) và chỉ có đi theo con đường này năng lượng mới được giải phóng một cách triệt để. Vòng Kreb là cơ chế hóa sinh rất phổ biến trong giới sinh vật hiếu khí dùng để chuyển hóa triệt để các hợp chất hữu cơ cần khai thác năng lượng. Qua vòng này, các sản phẩm trung gian của quá trình phân giải đường, mỡ, amino acid đều được phân giải thành CO2 và H2O là dạng ban đầu của vòng tuần hoàn vật chất. Năng lượng tích lũy được giải phóng hoàn toàn và phần lớn được dùng tạo ATP. Đây là vòng chu chuyển lần lượt của ba nhóm acid carbonxylic là acid oxaloaxetic, Acetyl CoA và acid α-xetoglutamic nên được gọi là chu trình acid Xitric carbonxylic hay là chu trình citric (dựa vào sản phẩm đầu tiên được tạo ra). Vòng Kreb xảy ra trong tế bào, chất nền của ty lạp thể. Bản chất của vòng Kreb là một quá trình oxi hóa khử nhằm khai thác các cặp hydro cao năng hay các cặp điện tử cao năng. Qua quá trình đường phân của tế bào chất thì glucose được chuyển thành pyruvic acid , sau đó chất này được vận chuyển tới màng của ty lạp thể, đến chất nền và được khử carbonxyl hóa – oxi hóa thành Acetyl CoA. Có thể chia quá trình này ra làm 4 giai đoạn chính: - Phân giải glucose thành pyruvate (xem quá trình đường phân). - Chuyển hóa pyruvate thành acetyl- CoA. - Oxi hóa acetyl- CoA thông qua chu trình Krebs (chu trình citric acid). - Oxi hóa các coenzyme khử qua chuổi hô hấp (xem phần khái niệm về sự 52
  53. trao đổi chất). Chu trình krebs được tóm tắt theo sơ đồ sau: CH2OH - CoASH CO2 CoASH H-CH-COO Đường phân CH3 CH3–C–S–CoA O Pyruvat dehyrogenase HO-C-COO- C = O O OH A NAD+ Acetyl.CoA - H-CH-COO- co OH COO- nita HO NADH+H Citrat se OH Pyruvat + se nta Glucose sy COO- e at itr O= C- C H-CH-COO- - H-C-COO- CH2-COO Oxaloaxetat HO-CH-COO- Malate Isocitrat dehydrogenase NAD+ NADH+H + Isocitrate dehydrogenase COO- NAD+ - NADH+H+ CO HO-C-H Krebs 2 - CH2-COO Malat H-CH-COO- - Fumarase H-C-H O=CH-COO- - COO FADH2 -Ketoglutarat - H O C-H 2 NAD+ -Ketoglutarate CH-OO- ATP NADH+H+ dehydrogenase FAD ADP Fumarat - CoASH H-CH-COO H-CH-COO- Succinate H-C-H- GTP H-C-H- dehydrogenase GDP+Pi CO2 COO- O=C-SCoA Succinat Succinyl-CoA Succinyl-CoA CoASH synthetase Hình 3.9. Chu trình Krebs Năng lượng khi oxi hóa hoàn toàn một phân tử glucose được tính như sau: Giai đoạn phản ứng Coenzyme khử ATP tạo thành tạo thành - Glucose→glucose 6-phosphate -1 ATP - Fructose 6-phosphate → fructose 1,6- -1 ATP bisphosphate - 2 Glyceraldehyde 3-phosphate → 2 + 2 ATP 53
  54. 1,3-bisphosphoglycerate - 2 1,3-Bisphosphoglycerate → 2 3- + 2 ATP phosphoglycerate - 2 Phosphoenolpyruvate → 2 pyruvate 2 NADH + H+ + 6 ATP - 2 Pyruvate → 2acety-CoA 2 NADH + 6 ATP - 2 Isocitrate → 2 α-ketoglutarate 2 NADH + 6 ATP - 2 α-Ketoglutarate → 2 succinyl-CoA 2 NADH + 6 ATP - 2 Succinyl-CoA → 2 succinate +2 ATP - (hoặc 2 GTP) - 2 Succinate → 2 fumarate 2 FADH2 + 4 ATP - 2 Malate → 2 oxaloacetate 2 NADH + 6 ATP Tông cộng 38 ATP - Ý nghĩa của quá trình đường phân và chu trình Krebs + Thông qua chu trình này, phân tử glucose bị oxi hóa hoàn toàn đến CO2 và nước và giải phóng toàn bộ năng lượng, một phần dưới dạng hóa năng trong ATP và một phần dưới dạng nhiệt năng có tác dụng giữ ấm tế bào. Từ ATP có thể tổng hợp nên GTP, XTP, UTP, là nguồn năng lượng cần thiết cho các quá trình sinh tổng hợp các chất khác nhau trong cơ thể. + Chu trình tạo ra nhiều Coenzyme khử. Các coenzyme khử ngoài vai trò tạo thành ATP còn dùng để khử các liên kết kép, các nhóm carbonyl, imi trong các phản ứng cần thiết trong tế bào. Chu trình là con đường chung cho sự oxi hóa các nhiên liệu khác nhau trong cơ thể như amino acid, acid béo, đường và hầu hết các phân tử nhiên liệu đi vào chu trình ở dạng acetyl CoA. + Chu trình còn là nguồn carbon cho các quá trình tổng hợp khác nhau. Ví dụ: Acetyl CoA có thể được dùng để tổng hợp các acid béo, axetoaxetat hoặc acetyl cholin. CO2 được dùng để tổng hợp ure, tổng hợp mới UMP và trong các phản ứng carboxyl hóa khác. Một số xetoacid trong chu trình như α –xeto glutarat, oxaloaxetat thường là nguyên liệu để tổng hợp các amino acid như glutamate và Aspatat. Đây là cửa ngõ đề nitơ vô cơ đi vào thế giới hữu cơ, đồng thời cung cấp nguyên liệu để tổng hợp các chất trong mô như từ acid succinyl 54
  55. CoA có thể được dùng để tổng hợp nhóm Hem của hemoglobin Cũng vì vậy, chu trình là mắt xích liên hợp, làm giao điểm của nhiều đường hướng phân giải và tổng hợp các chất khác nhau trong tế bào, đồng thời cũng là đương hướng chính để tổng hợp các hợp chất hữu cơ. - Sự điều hòa chu trình Kreb Có 3 enzyme vừa có vai trò xúc tác, vừa có vai trò điều hòa trong chu trinh là enzyme xitrat xintase, Iso citrate dehydrogenase và α –xeto glutarat dehydrogenase. + xitrat xintase bị ức chế bởi nồng độ ATP cao, làm giảm tổng hợp citrate + Iso citrate dehydrogenase bị ức chế bởi nồng độ cao của ATP và NADH; được hoạt hóa bởi ADP, NAD+, và Mg++. + α –xeto glutarat dehydrogenase bị ức chế bởi succinyl CoA và NADH. 55
  56. CHƯƠNG IV ENZYME Mục tiêu: - Nắm vững các kiến thức về cấu tạo, vai trò và hoạt tính xúc tác của enzyme. - Phân tích được cơ chế tác dụng của các phản ứng do enzyme xúc tác. - Xác định được các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính enzyme. Nội dung chính: 1. Khái niệm enzyme Enzyme là những protein có khả năng xúc tác đặc hiệu cho các phản ứng hóa học, là các chất xúc tác sinh học, nhờ có enzyme mà các phản ứng sinh hoá học xảy ra với một tốc độ rất nhanh, chính xác, nhịp nhàng, hiệu quả cao và tiết kiệm năng lượng. Người ta cho rằng enzyme là động cơ đầu tiên để sự sống, biểu hiện bằng các hiện tượng sống. Enzyme có khả năng xúc tác cho các phản ứng hoá học xảy ra nhanh chóng trong các điều kiện sinh lí bình thường của cơ thể sống và bản thân enzyme không thay đổi khi phản ứng hoàn thành. Chúng thúc đẩy một phản ứng xảy ra mà không có mặt trong sản phẩm cuối cùng. Enzyme có trong nhiều đối tượng sinh học như thực vật, động vật và môi trường nuôi cấy vi sinh vật. Ví dụ: 1 phân tử catalase cần 1 giây để phân giải 1 lượng H2O2 mà 1 phân tử Fe phải phân giải trong thời gian 300 năm. Về bản chất, ngoại trừ một nhóm nhỏ RNA có tính xúc tác, tất cả enzyme đều là protein. Tính chất xúc tác phụ thuộc vào cấu tạo của protein. Nếu một enzyme bị biến tính hay phân tách thành những tiểu đơn vị thì hoạt tính xúc tác thường bị mất đi, tương tự khi bản thân protein enzyme bị phân cắt thành những amino acid. Vì vậy, cấu trúc bậc 1, 2, 3, 4 của protein enzyme đóng vai trò trong hoạt tính xúc tác của chúng. Hoạt động xúc tác của enzyme có tính chọn lọc rất cao, mỗi enzyme chỉ xúc tác cho một sự chuyển hoá nhất định. Tuy nhiên, một số enzyme có tính 56
  57. chuyên hoá tương đối, nghĩa là có thể tác dụng lên nhiều cơ chất có cấu trúc gần giống nhau. Trong tế bào, các enzyme hoạt động theo kiểu dây chuyền, tức là sản phẩm của phản ứng do enzyme trước xúc tác là cơ chất cho phản ứng do enzyme sau tác động. Ví dụ: . amilase mantase Tinh bột Mantose Glucose Enzyme, cũng như những protein khác, có trọng lượng phân tử khoảng 12.000 đến hơn 1000.000 dalton. Một số enzyme cấu tạo gồm toàn những phân tử L amino acid liên kết với nhau tạo thành, gọi là enzyme một thành phần. Đa số enzyme là những protein phức tạp gọi là enzyme hai thành phần. Phần không phải protein gọi là nhóm ngoại hay coenzyme (co-factor). Ví dụ các ion, vitamine. Hiện nay, người ta đã biết khoảng hơn 3500 enzyme. Một coenzyme khi kết hợp với các apoenzyme khác nhau (phần protein) thì xúc tác cho quá trình chuyển hóa các chất khác nhau nhưng chúng giống nhau về kiểu phản ứng. 2. Trung tâm hoạt động của enzyme Khi nghiên cứu về hoạt động của enzyme người ta thấy rằng không phải toàn bộ phân tử enzyme đều tham gia quá trình xúc tác một cách trực tiếp, mà chỉ có những phần nhất định nào đó. Phần nhất định đó là trung tâm hoạt động của enzyme. Tuỳ từng loại enzyme mà trung tâm hoạt động có nhiều hay ít, trung bình từ 1 đến 20 (có khi 100 như cholinesterase) hay gặp nhất là 3 - 4. Tính trung bình cứ một trung tâm tương ứng với trọng lượng phân tử 30.000 - 80.000 dalton. Trung tâm hoạt động của enzyme được định nghĩa là vị trí tiếp xúc giữa enzyme và cơ chất trên phân tử enzyme, ở đây sẽ trực tiếp xảy ra các phản ứng sinh hoá học. Từ kết quả nghiên cứu về bản chất hoá học, về cấu trúc trung tâm hoạt động, cơ chế tác động, về trung tâm hoạt động chúng ta nhận thấy trung tâm hoạt động có vài đặc điểm như: - Là bộ phận dùng để liên kết với cơ chất. 57
  58. - Chiếm tỉ lệ rất bé so với thể tích toàn bộ của enzyme. - Gồm các nhóm chức của amino acid ngoài ra có thể có cả các ion kim loại và các nhóm chức của các coenzyme. Hình 4.1: Trung tâm hoạt động của enzyme Đối với enzyme một thành phần, trung tâm hoạt động chỉ bao gồm những nhóm chức của các amino acid như nhóm hydroxy của serin, carboxy của glutamic, vòng imidazol Các nhóm chức của các amino acid có thể xa nhau trong chuỗi polypeptide nhưng nhờ cấu trúc không gian nên nó gần nhau về mặt không gian. Đối với enzyme hai thành phần, ngoài những thành phần như trên, trong TTHĐ còn có sự tham gia của coenzyme và có thể cả ion kim loại. Sự sống là quá trình trao đổi vật chất liên tục, quá trình đó bao gồm hàng loạt phản ứng phân giải và tổng hợp. Kết quả là những chất glucid, lipid, protein đưa theo thức ăn vào sẽ biến thành thành phần mới của mô bào hoặc thành năng lượng cung cấp cho hoạt động sống. Sự tác dụng của enzyme trong quá trình trao đổi chất không mang tính thuận nghịch, mà mang tính đặc hiệu cao. Biểu hiện như sau: Các quá trình này nếu ở phòng thí nghiệm thường mất nhiều thời gian, cần nhiều hoá chất, nhiệt độ cao mà kết quả đôi khi không phân hoá được triệt để. Trái lại, ở điều kiện in vivo (tức là trong sinh thể) các phản ứng sinh hoá học 58
  59. nói trên tiến hành rất dễ dàng, nhanh và hiệu quả rất cao. Đó là nhờ sự xúc tác của hệ thống enzyme. 3. Cơ chế tác dụng của enzyme Nhìn chung, ta có thể hình dung cơ chế tác dụng của enzyme lên cơ chất tạo sản phẩm bằng phương trình tổng quát như sau: E + S  E – S  P + E This image cannot currently be displayed. Hình 4.2. Cơ chế tác động của enzyme - Giai đoạn 1: Enzyme liên kết với cơ chất tạo thành phức hợp E – S Giai đoạn này xảy ra cực nhanh và liên kết giữa E – S là liên kết yếu - Giai đoạn 2: Giai đoạn biến đổi cơ chất dưới tác dụng của Enzyme Do việc liên kết của cơ chất vào TTHĐE dẫn đến sự biến đổi cấu trúc cơ chất và thay đổi mật độ phân tử làm liên kết trong cấu trúc cơ chất yếu hơn, dễ bị cắt đứt hơn cơ chất dễ dàng bị biến đổi trở thành sản phẩm - Giai đoạn 3: Giai đoạn hình thành sản phẩm và tách khỏi Enzyme Enzyme tách ra ở dạng tự do sẽ tiếp tục liên kết với có chất khác và chuyển hóa nó. 4. Hoạt tính xúc tác của enzyme - Enzyme có khả năng làm giảm năng lượng hoạt hóa cần thiết cho các phản ứng hóa học và mức độ giảm mạnh mẽ hơn nhiều so với hợp chất vô cơ. - Đối với các phản ứng thuận nghịch, enzyme cũng làm cho các phản ứng này nhanh đạt tới trạng thái cân bằng. - Enzyme không bị mất đi sau phản ứng và không tác động vào sản phẩm cuối cùng Có thể thu hồi và tái sử dụng enzyme nhiều lần - Cường lực xúc tác của enzyme 59
  60. Eyme là một chất xúc tác sinh học có hoạt độ phân tử cao Hoạt độ phân tử của một chất xúc tác là số phân tử cơ chất bị chuyển hóa bởi 1 phân tử chất xúc tác trong thời gian 1 giây. - Tính đặc hiệu của enzyme + Đặc hiệu phản ứng: chỉ các enzyme có khả năng xúc tác cho một kiểu phản ứng nhất định. + Đặc hiệu cơ chất Đặc hiệu cơ chất tuyệt đối: là khái niệm chỉ những enzyme chỉ có khả năng xúc tác chuyển hóa cho 1 có chất và chỉ một cơ chất mà thôi. Đặc hiệu cơ chất tương đối: Là khái niệm dùng để chỉ những enzyme có khả năng xúc tác chuyển hóa cho các cơ chất có cấu hình không gian giống nhau. 5. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng enzyme 5.1. Ảnh hưởng của nồng độ enzyme Trong điều kiện dư thừa cơ chất, nghĩa là [S] >>>[E] thì tốc độ phản ứng phụ thuộc vào [S], v= K[E] có dạng y = ax. Nhờ đó người ta đã đo [E] bằng cách đo vận tốc phản ứng do enzyme đó xúc tác. Có nhiều trường hợp trong môi trường có chứa chất kìm hãm hay hoạt hoá thì vận tốc phản ứng do enzyme xúc tác không phụ thuộc tuyến tính với [E] đó. v [E] Hình 4.3: Sự phụ thuộc của vận tốc phản ứng vào [E] 5.2 Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất [S] Khi tăng [S] thì tốc độ (V) phản ứng tăng, tăng [S] đến một giá trị nào đó thì V đạt đến giá trị Vmax và sẽ không tăng nữa nếu ta vẫn tiếp tục tăng [S]. V [S] 60
  61. Hình 4.4. Biến thiên vận tốc phản ứng theo nồng độ cơ chất. 5.3. Ảnh hưởng của chất kìm hãm (inhibitor) Là chất có tác dụng làm giảm hoạt độ hay làm enzyme không còn khả nâng xúc tác biến cơ chất thành sản phẩm. Kìm hãm enzyme có thể thực hiện bằng nhiều cách khác nhau (thuận nghịch hay không thuận nghịch). Biểu hiện như sau: Hình 4.5. Vị trí bám của chất ức chế  Kìm hãm cạnh tranh (competitive inhibition) Trong trường hợp kìm hãm cạnh tranh là cơ chất và chất kìm hãm đều tác dung lên trung tâm hoạt động của enzyme, chất kìm hãm choán chổ của cơ chất ở enzyme. Khi cơ chất dư thừa, nồng độ chất kìm hãm thấp thì có thể loại bỏ tác dụng của chất kìm hãm, còn nồng độ cơ chất thấp và nồng độ chất kìm hãm cao thì lại có tác dụng kìm hãm hoàn toàn. Hình 4.6. Kiểu kìm hãm cạnh tranh Người ta thấy kìm hãm như vậy phần lớn xẩy ra giữa chất kìm hãm và cơ chất có sự tương đồng về mặt hoá học. Ví dụ: malic acid có cấu trúc gần giống với succinic acid nên kìm hãm cạnh tranh enzyme succinatedehydrogenase, là 61
  62. enzyme xúc tác cho sự biến đổi succinic acid thành acid fumaric acid. Trường hợp đặc biệt của kìm hãm cạnh tranh là kìm hãm bằng sản phẩm. Trường hợp này xẩy ra khi một sản phẩm phản ứng tác dụng trở lại enzyme và choán vị trí hoạt động ở phân tử enzyme.  Kìm hãm phi cạnh tranh (uncompetitive inhibition) Đặc trưng của kiểu kìm hãm này là chất kìm hãm chỉ liên kết với phức hợp ES, mà không liên kết với enzyme tự do. Hình 4.7. Kiểu kìm hãm phi cạnh tranh  Kìm hãm hỗn tạp (mixed inhibition ) Hình 4.8. Kiểu kìm hãm hỗn tạp Trong đó, chất kìm hãm không những liên kết với enzmye tự do mà còn liên kết với cả phức hợp ES tạo thành phức hợp EIS không tạo được sản phẩm P. Một trường hợp kìm hãm còn gặp nữa là kìm hãm enzyme bằng nồng độ cao của cơ chất gọi là “kìm hãm cơ chất” như kìm hãm urease khi nồng độ ure cao, ngoài ra còn có các enzyme khác như lactatdehydrogenase, carboxypeptidase, lipase, pyrophotphatase, hosphofructokinase (đối với ATP). Nguyên nhân của những hiện tượng có thể là: - Tồn tại nhiều trung tâm liên kết với cơ chất bằng các ái lực khác nhau. Khi nồng độ cơ chất thấp thì enzyme có thể chỉ liên kết với một phân tử cơ chất, còn khi ở nồng độ cơ chất cao nó liên kết với nhiều cơ chất dẫn đến hình thành 62
  63. phức hợp ES không hoạt động. - Cơ chất cũng có thể được liên kết nhờ những vị trí đặc biệt của enzyme. Đó là một nhóm enzyme quan trọng (enzyme dị lập thể) bên cạnh trung tâm xúc tác còn có trung tâm điểu chỉnh. - Cơ chất có thể liên kết với một chất hoạt hoá và bằng cách này nó tách khỏi E. - Cơ chất có thể choán chỗ (ngăn cản) một cofactor (đồng yếu tố) hay một coenzyme. - Cơ chất có thể ảnh hưởng đến lực ion của môi trường và qua đó làm mất đi tình chuyên hoá của enzyme. 5.4. Ảnh hưởng của chất hoạt hóa (activator) Là chất làm tăng khả năng xúc tác nhằm chuyển hóa cơ chất thành sản phẩm. Thông thường là những cation kim loại hay những hợp chát hữu cơ như các vitamine tan trong nước. Ví dụ: Mg++ hoạt hóa các enzyme mà cơ chất đã được phosphoryl hóa như pyrophosphatase (cơ chất là pyrophosphate), adenosinetriphosphatase-ATPase (cơ chất là ATP). Các cation kim loại có thể có tính đặc hiệu, tính đối kháng và tác dụng còn tuỳ thuộc vào nồng độ. 5.5. Ảnh hưởng cuả nhiệt độ Ta có thể tăng vận tốc của một phản ứng hóa học bằng cách tăng nhiệt độ môi trường, hiện tượng này tuân theo quy luật Vant’-Hoff. Điều này có nghĩa khi tăng nhiệt độ lên 100C thì tốc độ phản ứng tăng lên khoảng 2 lần. Đối với phản ứng do enzyme xúc tác cũng có thể áp dụng được quy luật này nhưng chỉ trong một phạm vi nhất định, vì bản chất enzyme là protein. Khi ta tăng nhiệt độ lên trên 40-500C xảy ra quá trình phá huỷ chất xúc tác. Sau nhiệt độ tối ưu tốc độ phản ứng do enzyme xúc tác sẽ giảm. Nhờ tồn tại nhiệt độ tối ưu người ta phân biệt phản ứng hoá sinh với các phản ứng vô cơ thông thường. Mỗi enzyme có một nhiệt độ tối ưu khác nhau, phần lớn phụ thuộc nguồn cung cấp enzyme, thông thường ở trong khoảng từ 40-600C , cũng có enzyme có nhiệt độ tối ưu rất cao như các enzyme của những chủng ưa nhiệt. Các chủng vi 63
  64. sinh vật ưa nhiệt, đăc biệt các vi khuẩn chịu nhiệt có chứa enzyme chịu nhiệt cao. Hình 4.9. Sơ đồ biểu thị sự ảnh hưởng của nhiệt độ 5.6. Ảnh hưởng của pH Sự phân li khác nhau của một phân tử protein ở các giá trị pH khác nhau làm thay đổi tính chất của trung tâm liên kết với cơ chất và tính chất hoạt động của phân tử enzyme. Điều này dẫn đến giá trị xúc tác khác nhau phụ thuộc vào giá trị pH. Như đã biết mỗi enzyme có một pH tối ưu, mỗi enzyme có đường biểu diễn ảnh hưởng pH lên vận tốc phản ứng do chúng xúc tác. Hình 4.10. Sơ đồ biểu thị sự ảnh hưởng của pH Ảnh hưởng của giá trị pH đến tác dụng enzyme có thể do các cơ sở sau: - Enzyme có sự thay đổi không thuận nghịch ở phạm vi pH cực hẹp. - Ở hai sườn của pH tối ưu có thể xảy ra sự phân ly nhóm prosthetic hay coenzyme. - Làm thay đổi mức ion hoá hay phân ly cơ chất. - Làm thay đổi mức ion hoá nhóm chức nhất định trên phân tử enzyme dẫn đến làm thay đổi ái lực liên kết của enzyme với cơ chất và thay đổi hoạt tính 64
  65. cực đại. Ngoài ra, các yếu tố như ánh sáng, sự chiếu điện, sóng siêu âm cũng ảnh hưởng đến trung tâm hoạt động của enzyme. Nhận xét chung: Độ bền phụ thuộc vào trạng thái tồn tại của enzyme, càng tinh khiết thì enzyme càng kém bền, dịch càng loãng thì độ bền càng kém, tác động của một số ion kim loại trong dịch với nồng độ khoảng 10-3M như Ca++ làm tăng tính bền. 6. Phân loại enzyme Dựa vào tính đặc hiệu phản ứng của enzyme, năm 1961 tiểu ban enzyme học quốc tế đã trình bày một báo cáo, trong đó có đề nghị những nguyên tắc định tên và phân loại enzyme. Người ta chia enzyme ra làm 6 lớp: - Oxydoreductase: các enzyme xúc tác cho các phản ứng oxi hoá khử. - Transferase: các enzyme xúc tác cho các phản ứng chuyển vị. - Hydrolase: các enzyme xúc tác cho các phản ứng thủy phân. - Lyase: các enzyme xúc tác cho các phản ứng phân cắt không cần nước. - Isomerase: các enzyme xúc tác cho các phản ứng đồng phân hoá. - Ligase (synthetase): các enzyme xúc tác cho các phản ứng tổng hợp có sử dụng liên kết giàu năng lượng của ATP .v.v. Mỗi lớp chia thành nhiều tổ, mỗi tổ chia thành nhiều nhóm khác nhau. Tên enzyme thường được gọi: Tên cơ chất đặc hiệu - loại phản ứng xúc tác cộng thêm tiếp vĩ ngữ ase. Đứng trước tên enzyme thường có 4 con số: số thứ nhất chỉ lớp, số thứ hai chỉ tổ, số thứ ba chỉ nhóm, số thứ tư chỉ số hạng enzyme trong nhóm. Ví dụ: (2.6.1.1) L.aspartate: α-cetoglutarate aminotransferase. Enzyme này xúc tác cho phản ứng chuyển nhóm amine từ L.aspartate đến α-cetoglutarate. L.aspartate +α-cetoglutarate ↔ α-oxaloacetate + glutamate 7. Cách gọi tên enzyme  Cách 1: Gọi theo tên riêng 65
  66. Trong thời gian đầu khi enzyme học chưa phát triển, người ta thường gọi tên enzyme theo tên tác giả hoặc do tác giả đặt. Một số tên riêng enzyme quen dùng như: Pepsin, trypsin, chymotrypsin (trong dạ dày, ruột non) Papain (trong đu đủ) Bromelain (trong dứa) Ficin (có trong họ sung)  Cách 2: Gọi tên theo kiểu phản ứng mà enzyme tác động + đuôi “ase” - Phản ứng thủy phân liên kết peptid tên enzyme xúc tác là peptidase - Phản ứng tách H ra khỏi cơ chất (dehydrogen) tên enzyme là dehydrogenase  Cách 3: Gọi tên theo hệ thống. Tên enzyme = Tên cơ chất + Tên kiểu phản ứng + ase Với các enzyme chỉ thủy phân 1 cơ chất: Tên enzyme = Tên cơ chất +ase 66
  67. CHƯƠNG V VITAMINE Mục tiêu: - Nắm vững các kiến thức về cấu tạo, vai trò và tính chất của các vitamin. - Xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính vitamin. Nội dung chính: 1. Khái niệm và phân loại vitamine Theo bách khoa toàn thư: Vitamine (sinh tố) là phân tử hữu cơ tuy có lượng rất ít nhưng rất cần thiết cho hoạt động chuyển hoá bình thường của cơ thể sinh vật. Có nhiều loại vitamine, chúng khác nhau về bản chất hoá học lẫn tác dụng sinh lý. Khi thiếu một loại vitamine nào đó sẽ dẫn đến những rối loạn về hoạt động sinh lý bình thường của cơ thể. Vitamine được tổng hợp chủ yếu ở thực vật và vi sinh vật. Ở người và động vật cũng có thể tổng hợp được một số vitamine nhưng rất ít nên không thoả mãn nhu cầu của cơ thể mà phải tiếp nhận thêm ở ngoài vào bằng con đường thức ăn. Hiện nay, người ta đã nghiên cứu và phân lập được trên 30 loại vitamine khác nhau, đồng thời đã nghiên cứu các thành phần, cấu tạo và tác dụng sinh lý của chúng. Người ta cũng tổng hợp một số lượng lớn vitamine bằng con đường hoá học ở phòng thí nghiệm. Tên vitamine được gọi theo nhiều cách như gọi theo chữ cái, gọi theo danh pháp hoá học, gọi theo chức năng. Ví dụ vitamine B1 còn có tên hóa học là Thiamin, đồng thời theo chức năng của nó còn có tên antinevrit. Kiểu phân loại được sử dụng phổ biến nhất là dựa vào khả năng hoà tan của vitamine vào các dung môi. Người ta chia vitamine ra 2 nhóm: vitamine tan trong nước và vitamine tan trong mỡ. Vitamine tan trong nước chủ yếu tham gia và làm nhiệm vụ xúc tác trong quá trình sinh học gắn liền với sự giải phóng năng lượng (các phản ứng oxi hoá - 67
  68. khử, sự phân giải các hợp chất hữu cơ ) nghĩa là chúng hoàn thành chức năng năng lượng. Các vitamine tan trong chất béo (trong dầu và mỡ): Vitamine này thường tham gia vào phản ứng tạo nên các chất, tạo nên các cấu trúc, các cơ quan và các mô của cơ thể, nghĩa là chúng hoàn thành chức năng tạo hình. 2. Vitamine tan trong dầu 2.1. Vitamine A (retinol, axerophthol) Vitamine A là một chất dinh dưỡng thiết yếu cho con người. Nó không tồn tại dưới dạng một hợp chất duy nhất, mà dưới một vài dạng. Trong thực phẩm có nguồn gốc động vật, dạng chính của vitamine A là rượu là retinol, nhưng cũng có thể tồn tại dưới dạng aldehyd là retinal, hay dạng acid là acid retinoic. Các tiền chất của vitamine (tiền vitamine) tồn tại trong thực phẩm nguồn gốc thực vật gồm 3 loại là α,β,γ - caroten có trong một vài loài cây trong họ hoa tán (khoai lang, cải, bí ngô). Retinol, dạng động vật của vitamine A, có màu vàng, rất cần thiết cho phát triển thị lực và phát triển xương. Hình 5.1. Công thức cấu tạo vitamine A Vitamine A có nhiều trong dầu cá, lòng đỏ trứng. Trong thực vật, vitamine A có hàm lượng cao dưới dạng tiền vitamine A (dạng β-caroten) nhất là trong củ cà rốt, quả cà chua, quả gấc, quả đu đủ Vitamine A có vai trò quan trọng trong cơ chế tiếp nhận ánh sáng của mắt, tham gia vào quá trình trao đổi protein, lipid, saccharide. Thiếu Vitamine A sẽ bị bệnh quáng gà, khô mắt, chậm lớn, sút cân, giảm khả năng đề kháng của cơ thể đối với các bệnh nhiễm trùng. Nhu cầu Vitamine A hàng ngày đối với người lớn 1-2mg, trẻ em 0,5-1mg. 2.2. Vitamine D (là antirachitic factor, calcitriol ) 68
  69. Đây là một nhóm hóa chất trong đó về phương diện dinh dưỡng có 2 chất quan trọng là ecgocalciferon (vitamine D2) và colecalciferon (vitamine D3). Các Vitamine D là dẫn xuất của các sterol. Trong cơ thể vitamine D được tạo ra từ tiền Vitamine D có sẵn dưới da nhờ ánh sáng mặt trời có tia tử ngoại. Trong thực vật ecgosterol, dưới tác dụng của ánh nắng sẽ cho ecgocalciferon. Trong động vật và người có 7-dehydro-cholesterol, dưới tác dụng cửa ánh nắng sẽ cho colecalciferon. Hình 5.2. Công thức cấu tạo vitamine D Thiếu hoặc thừa vitamine D đều ảnh hưởng đến nồng độ phospho và calci trong máu. Thiếu Vitamine D trẻ em dễ bị bệnh còi xương, ở người lớn bị bệnh loãng xương. Vitamine D có nhiều trong dầu cá, mỡ bò, lòng đỏ trứng. Tiền Vitamine D có sẵn trong mỡ động vật. Hàng ngày mỗi người cần khoảng 10-20mg, trẻ em dưới 30 tháng cần nhiều hơn: 20-40mg. 2.3. Vitamine E (Tocopherol) Vitamine E là một chất chống oxi hóa tốt do cản trở phản ứng xấu của các gốc tự do trên các tế bào của cơ thể. Vitamine E có nhiều dạng khác nhau, gồm các dạng α, β, γ, δ tocopherol. Các dạng khác nhau này được phân biệt bởi số lượng và vị trí của các nhóm metyl gắn vào vòng thơm của phân tử. Trong các loại vitamine E, dạng α-tocopherol có hoạt tính cao nhất. Vitamine E có tác dụng như chất chống oxi hoá nên có tác dụng bảo vệ các chất dễ bị oxi hoá trong tế bào. Vitamine E còn có vai trò quan trọng trong sinh sản. Nhu cầu vitamine E hàng ngày khoảng 20mg cho một người lớn. Vitamine E có nhiều ở các loại rau xanh, nhất là xà lách, ở hạt ngũ cốc, dầu thực vật, gan bò, lòng đỏ trứng, mầm hạt hoà thảo. 69
  70. Hình 5.3. Công thức cấu tạo vitamine E 2.4. Vitamine K Có nhiều loại Vitamine K, với công thức tổng quát là: Hình 5.4. Công thức cấu tạo vitamine K Vitamine K là một vitamine rất quan trọng, do nó giúp giảm chứng chảy máu trong một vài trường hợp như bệnh gan, mắc chứng kém hấp thụ hoặc dùng kháng sinh trong thời gian dài. Vai trò chính của vitamine K là giúp cho quá trình đông máu diễn ra tốt và hạn chế lượng máu bị mất khi bị thương. Nếu cơ thể bị thiếu hụt vitamine K, máu của bạn sẽ không thể đông được và điều này có thể dẫn đến tử vong. Vitamine K còn có thể kết hợp với calci giúp cho xương chắc khỏe. Thiếu vitamine K có thể gây ra bệnh loãng xương. Ngoài ra, vitamine K có thể giúp ngăn ngừa sỏi thận. Ví dụ: Do chế độ ăn của mình, những người ăn chay là những người hấp thu một lượng lớn vitamine K nên họ không mắc loại bệnh này. Vitamine K còn được dùng để điều trị vết thương ngoài da. Vitamine K có nhiều trong cỏ linh lăng, bắp cải, rau má, cà chua, đậu, ngũ cốc, lòng đỏ trứng, thịt bò Ở người khoẻ mạnh, vi khuẩn đường ruột có khả năng cung cấp đủ. Hàm lượng vitamine K cho nhu cầu của cơ thể cần bổ sung chỉ vào khoảng 0,2- 70
  71. 0,3mg/ngày/người. 2.5 Vitamine Q (Ubiquinon) Tên khoa học: coenzyme Q10, CoQ10, mitoquinone, Q10, ubidecarenone, ubiquinone là một hợp chất tìm thấy trong ty thể. Vitamine Q lần đầu tiên được tách ra từ mỡ động vật vào năm 1955. Cấu trúc và chức năng của vitamine Q gần tương tự như vitamine K và F. Vitamine Q tham gia vào các quá trình oxi hoá-khử với chức năng thành viên của chuỗi vận chuyển điện tử của ty thể. Vitamine Q có trong nhiều đối tượng như vi sinh vật, thực vật, động vật dễ dàng được tổng hợp trong cơ thể. Là một chất chống oxi hóa, coenzyme Q10 cũng có thể có tiềm năng như là một tác nhân chống ung thư và miễn dịch kích thích. Ngoài ra, giúp tăng năng lượng, chuyển hóa thức ăn thành năng lượng. Giúp cải thiện sức khỏe tim và lượng đường trong máu và giúp quản lý cholesterol cao, huyết áp cao ở các cá nhân với bệnh tiểu đường. CoQ10 có nhiều trong dầu cá, thịt, nội tạng và ngũ cốc, cám gạo, đậu nành, các loại hạt (hạt dẻ, hồ trăn), cá (cá thu, cá mòi), hạt vừng, rau quả (cải bắp, rau bina, khoai tây, hành tây, cà rốt). This image cannot currently be displayed. Hình 5.5. Công thức cấu tạo vitamine Q 3. Vitamine tan trong nước 3.1. Vitamine B1 (Thiamin) Vitamine B1 là loại Vitamine rất phổ biến trong thiên nhiên, đặc biệt trong nấm men, cám gạo, mầm lúa mì. Trong đó, cám gạo có hàm lượng Vitamine B1 cao nhất. Vitamine B1 được tách ra ở dạng tinh thể vào năm 1912 và xác định được cấu trúc hoá học của nó. Vitamine B1 vai trò như: 71
  72. - Là tác nhân đồng hoá đường: Vitamine B1 tham gia làm thành phần coenzyme, có vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hoá đường và quá trình phát triển của cơ thể. Khi thiếu vitamine B1, acid pyruvic sẽ tích lũy trong cơ thể gây độc cho hệ thống thần kinh. Vì thế, nhu cầu vitamine B1 đối với cơ thể tỉ lệ thuận với nhu cầu năng lượng. - Làm nhân tố ngon miệng: kích thích sự tạo thành một loại enzyme tham gia vào quá trình đồng hoá thức ăn, kích thích cảm giác thèm ăn. - Tạo sự cân bằng về thần kinh: Vitamine B1 tham gia điều hòa quá trình dẫn truyền các xung tác thần kinh, kích thích hoạt động trí óc và trí nhớ. Hình 5.6. Công thức cấu tạo vitamine B1 Vitamine B1 hoà tan tốt trong môi trường nước và chịu nhiệt khá nên không bị phân huỷ khi nấu nướng. B1 được tổng hợp chủ yếu ở thực vật và một số vi sinh vật. Người và động vật không tổng hợp được B1 mà phải nhận từ nguồn thức ăn. Nguồn chứa nhiều vitamine B1 là cám gạo, ngô, lúa mì, gan, thận, tim, não, nhất là ở nấm men. Khi thiếu B1, có thể phát sinh bệnh tê phù (bệnh beri-beri), do quá trình trao đổi chất bị rối loạn. Nhu cầu vitamine B1 phụ thuộc vào điều kiện nghề nghiệp, vào trạng thái sinh lý của cơ thể, vào lứa tuổi. Nhu cầu hàng ngày của người lớn là 1- 3mg, trẻ em 0,5-2mg/ngày. 3.2. Vitamine B2 (Riboflavin) Vitamine B2 là dẫn xuất của vòng Isoalloxazin, thuộc nhóm flavin. Trong cơ thể B2 liên kết với H3PO4 tạo nên coenzyme FMN (Flavin Mono Nucleotide) và FAD (Flavin Adenin Dinucleotid) là những coenzyme của hệ enzyme dehydrogenase hiếu khí (chuỗi hô hấp). Ở trạng thái khô, vitamine B2 bền với nhiệt và acid. Vitamine B2 có nhiều trong nấm men, đậu, thịt, sữa, gan, trứng. Khi thiếu 72
  73. Vitamine B2 sự tổng hợp các enzyme oxi hoá khử bị ngừng trệ làm ảnh hưởng đến quá trình oxi hoá khử tạo năng lượng cho cơ thể. Đồng thời khi thiếu vitamine B2 việc sản sinh ra các tế bào của biểu bì ruột cũng bị ảnh hưởng gây nên sự chảy máu ruột hay rối loạn hoạt động của dạ dày, ruột. Ngoài ra, vitamine B2 còn giúp cơ thể kháng khuẩn tốt hơn. Nhu cầu Vitamine B2 hàng ngày của một người khoảng 2-3mg. Hình 5.7. Công thức cấu tạo vitamine B2 3.3. Vitamine B3 Tên khác: Vitamine PP, niacin (nicotinic acid) và có 2 hình thức khác, niacinamide (nicotinamide) và hexanicotinate inositol. Vitamine PP là thành phần của coenzyme NAD (Nicotin Adenin Dinucleotide), NADP (Nicotin Adenin Dinucleotide Phosphate) có trong các enzyme thuộc nhóm dehydrogenase kỵ khí (lên men yếm khí). Vitamine PP dạng nicotinic acid bền với nhiệt, acid và cả kiềm nên khó bị phân huỷ, còn ở dạng nicotinamid lại kém bền với acid và kiềm. Vitamine PP có tác dụng ngăn ngừa bệnh ngoài da (bệnh pellagra -bệnh da sần sùi), sưng màng nhầy ruột dạ dày. Vitamine PP có nhiều trong gan, thịt nạc, tim, đặc biệt là nấm men. Nếu cơ thể thiếu vitamine PP sẽ ảnh hưởng đến các quá trình oxi hoá khử. Hàng ngày nhu cầu của một người khoảng 15-25mg vitamine PP. Công thức cấu tạo như sau: Hình 5.8. Công thức cấu tạo vitamine B3 3.4. Viatmine B5 (Acid patothenic) 73
  74. Tên của acid patothenic bắt nguồn từ chữ “panthos” có nghĩa là “mọi nơi”. Acid patothenic bị phân hủy bởi nhiệt, acid (như dấm) hay kiềm (nước xô- đa (Na2SO3), bicarbonate (NaHCO3). Vitamine cũng bị mất trong quá trình nấu nướng. Acid pantothenic là một phần của phân tử coenzyme A (CoA) đóng vai trò quan trọng trong quá trình giải phóng năng lượng từ thực phẩm (chất béo, chất bột, protein và rượu). Có tác dụng chống stress, dị ứng, chống viêm khớp, xúc tác quá trình phân giải các chất. Những người tình nguyện tự loại bỏ acid patothenic đã mô tả sự xuất hiện các triệu chứng mỏi mệt, nhức đầu, chóng mặt, yếu cơ và rối loạn ở dạ dày tá tràng. Acid patothenic cũng có vai trò rất quan trọng trong chức năng của tuyến thượng thận và trong sự tạo thành các kháng thể. Vitamine này thường có trong các chế phẩm bổ sung dưới dạng calci pantothenate. Có nhiều trong men bia, gan heo, cám lúa mì, trứng, thịt gia cầm. Công thức cấu tạo như sau: Hình 5.9. Công thức cấu tạo vitamine B5 3.5. Vitamine B6 (Pyridoxin) Vitamine B6 tồn tại trong cơ thể ở 3 dạng khác nhau: Pyridoxol, Pyridoxal, Pyridoxamine. Ba dạng này có thể chuyển hoá lẫn nhau. Pyridoxin Pyridoxal Phosphate Hình 5.10. Công thức cấu tạo vitamine B6 Vitamine B6 là thành phần coenzyme của nhiều enzyme xúc tác cho quá trình chuyển hoá amino acid, là thành phần cấu tạo của phosphorylase, 74
  75. transaminase Nếu thiếu Vitamine B6 sẽ dẫn đến các bệnh ngoài da, bệnh thần kinh như đau đầu, bệnh rụng tóc, rụng lông Vitamine B6 có nhiều trong nấm men, trứng, gan, hạt ngũ cốc, rau quả Hàng ngày mỗi người lớn cần 1,5-2,8 mg, với trẻ em cần 0,5-2mg. 3.6 Vitamine C (Ascorbic acid) Trong cơ thể, vitamine C tồn tại ở 2 dạng là dạng khử (ascobic acid) và dạng oxi hóa (dehydro ascorbic). Vitamine C tham gia nhiều quá trình sinh lý quan trọng trong cơ thể: - Quá trình hydroxyl hoá do hydroxylase xúc tác. - Duy trì cân bằng giữa các dạng ion Fe+2/Fe+3, Cu+1/Cu+2. - Vận chuyển H2 trong chuỗi hô hấp. - Làm tăng tính đề kháng của cơ thể đối với những điều kiện không thuận lợi của môi trường, các độc tố của bệnh nhiễm trùng, làm giảm các triệu chứng bệnh lý do tác dụng của phóng xạ. Công thức cấu tạo: Hình 5.11. Công thức cấu tạo vitamine C Ngoài ra, vitamine C còn tham gia vào nhiều quá trình khác có vai trò quan trọng trong cơ thể. Vitamine C có nhiều trong các loại rau quả tươi, nhất là trong các loại quả có múi như cam, chanh, bưởi Nhu cầu hàng ngày cần 7080mg/người. Nếu thiếu vitamine C sẽ dẫn đến bệnh hoại huyết, giảm sức đề kháng của cơ thể, bị bệnh chảy máu răng, lợi hay nội quan (bệnh scorbutus). 3.7 Viatmine H (Biotin, Vitamine B7) Vitamine H là được sử dụng trong sự tăng trưởng tế bào, sản xuất các acid béo, chuyển hóa chất béo và protein nên có vai trò quan trọng trong chu trình Kreb. 75
  76. Khó bị phá hủy bởi nhiệt độ, môi trường kiềm, acid Hình 5.12. Công thức cấu tạo vitamine H Vitamine H có tác dụng tốt với tóc, làn da, tuyến mồ hôi, các mô thần kinh, tủy xương và hỗ trợ với cơn đau cơ bắp. Vitamine H không chỉ hỗ trợ trong việc chuyển đổi hóa học khác nhau trao đổi chất, mà còn giúp với việc chuyển giao CO2 (dioxide carbon). Vitamin H cũng có vai trò quan trọng trong việc duy trì sự ổn định nồng độ đường huyết. Thiếu -> da vảy khô, mệt mỏi, chán ăn, buồn nôn và ói mửa, tâm thần trầm cảm cũng như viêm lưỡi và cholesterol cao. Biotin có thể được tìm thấy trong nấm men bia, trứng nấu chín, đặc biệt là lòng đỏ trứng, cá mòi, các loại hạt và bơ lạc, đậu tương, rau đậu khác, toàn bộ ngũ cốc, súp lơ, chuối và nấm. 76
  77. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Mùi, 2001. Hóa sinh học. Nhà xuất bản Đại học quốc gia Hà Nội. [2] Trần Bích Lam, Tôn Nữ Minh Nguyệt, Đinh Trần Nhật Thu, 2011. Thí nghiệm hóa sinh thực phẩm. Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh. [3] Nguyễn Văn Mùi, 2007. Thực hành hóa sinh học. Nhà xuát bản Đại học Quốc gia Hà Nội. [4] Nguyễn Hoài Hương, Bùi Văn Thế Vinh, 2009. Thực hành hóa sinh. Trường Đại học kỹ thuật công nghệ TP. Hồ Chí Minh. [5] Phan Tuấn Nghĩa, 2012. Giáo trình Hóa sinh học thực nghiệm. Nhà xuất bản giáo dục Việt Nam. [6] Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng, 2000. Hóa sinh học. Nhà xuất bản Giáo dục Hà Nội. 77