Bài giảng Hóa sinh 1: Phần 2 - Trường ĐH Võ Trường Toản

Chia sẻ: Lôi Vô Kiệt | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:81

Thêm vào BST

Báo xấu

15
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nối tiếp phần 1, phần 2 của tập bài giảng Hóa sinh 1 gồm 4 chương sau, tiếp tục cung cấp cho sinh viên những nội dung tổng quát về: chương 5 - Hóa học hemoglobin; chương 6 - Hóa học acid nucleic; chương 7 - Enzym và xúc tác sinh học; chương 8 - Chuyển hóa các chất, oxy hóa sinh học, chu trình Krebs;... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Hóa sinh 1: Phần 2 - Trường ĐH Võ Trường Toản

CHƯƠNG 5 HÓA HỌC HEMOGLOBIN MỤC TIÊU 1. MÔ tả cấu tạo hóa học và nêu cách phân loại, tính chất của hợp chất Porphyrin. 2. Mô tả cấu trúc hóa học của Hem và Globin. 3. Trình bày, giải thích sự kết hợp giữa Hem và Globin. 5. Nêu được tính chất hóa học và các vai trò sinh lý quan trọng của Hemoglobin trong cơ 1. ĐẠI CƯƠNG 1.1 Cromoprotein Cromoprotein là một loại protein phức tạp có nhóm ngoại là chất màu. Cromoprotein được chia thành hai loại : - Cromoprotein với nhóm ngoại không chứa nhân Porphyrin. Thí dụ: Flavoproteiir. nhóm ngoại chứa Riboflavin Feritin : nhóm ngoại chứa Fe Hemocyamirr. nhóm ngoại chứa Cu - Cromoprotein với nhóm ngoại chứa nhân Porphyrin (Porphyrinoprotein) Thí dụ: Hemoglobin: sắc tô" đỏ của hồng cầu. Myoglobin: sắc tô" hô hấp chứa trong tế bào cơ của động vật. Clorophyl: diệp lục tô" trong thực vật, đóng vai trò quan trọng trong sự quang hợp. Cytocrom: enzym vận chuyển điện tử trong các phản ứng oxy hóa khử của chuỗi hô hâp tế bào. Cãtalase: enzym tham gia các phản ứng oxy hóa khử sinh học. 1.2 Porphyrin 1 .2.1 Cấu tạo hóa học Porphyrin có nhân cơ bản là Porphin, cấu tạo bởi 4 vòng pyrol (dị vòng 5 cạnh) liên kêt với nhau qua 4 cầu nốì methylen (- CH=). Trong phân tử porphin : - Các vòng pyrol được đánh sô" I, II, III và IV theo chiều kim đồng hồ. - Các cầu methyỉen được ký hiệu oc, p, y, ô . - Vị trí của các nhóm thế trên khung phân tử được đánh sô" 1, 2, 3, 4, 5, 6 , 7 và 8 . C H --------- CH CH CH \ / NH NH Hình 5.1: cấu trúc của vòng Pyrol
( 1) (2) HC_ .C H 5 H C- J = rC H a 1 2 (8) HC- :CH (3) || IV NH HN II IV II (7) HC. -CH (4) -N, III y HC— ^ -CH ß 6 5 H C -= ^ C H (6) (5) Porphin Hình 5.2 Cấu trúc của nhân Porphin Porphyrin là nhân Porphin được gắn thêm một số nhóm thế. Bảng 5.1: Các nhóm thế của Porphyrin Tên gốc Công thức Ký hiệu Methyl -c h 3 -M Ethyl - CH 2 - c h 3 -E Hydroxyetyl -C H 2 -C H 2 -O H -E -OH Vinyl - CH = CH2 -V Acetyl - CH 2 - COOH -A Propionyỉ - CH 2 - CH2 - COOH -p Tùy loại và vị trí của nhóm thế, ta có nhiều loại Porphyrin khác nhau. Sau đây là công thức cấu tạo của một sô" dẫn xuất Porphyrin thường gặp trong y học: V ---- N M D N M M \ / / NH HN NH HN / \ V M / \ M p M Protoporphyrin IX (III) Coproporphyrin I Coproporphyrin A ,_______ .p N' A / NH HN / N. p A Uroporphyrin I Hình 5.3 Câu trúc của một số hợp chất Porphyrin sinh học 85
1.2.2. Tính chất - Có màu, có phổ hấp thu đặc trưng ở vùng tử ngoại hay khả kiến (do có hệ thống nôi đôi tiêp cách). - Độ tan phụ thuộc sô" lượng nhóm carboxyl thế. Ví dụ: Uroporphyrin có 8 nhóm carboxyl nên tan rất tốt trong nước Protoporphyrin chỉ có 2 nhóm carboxyl nên ít tan trong nước, tan nhiều trong lipid. - Dễ tạo phức với ion kim loại (nhờ hai nguyên tử H gắn với hai nguyên tử N thuộc nhân pyrol II và IV rất linh động và dễ bị thay thế bởi các ion kim loại có hóa trị 2), do đó protein nhóm này được gọi là Metaloprotein. Thí dụ: Trong Hemoglobin, Myoglobin, Cytocrom, Catalase: Porphyrin kết hợp với Fe2+. Trong Chlorophyll Porphyrin kết hợp với Mg2+. - Có tính kiềm yếu (do nguyên tử N trong các nhân pyrol) đồng thời cũng có tính acid (do nhóm -COOH ở mạch nhánh). Điểm đẵng điện khoảng 3 - 4,5. 2. HEMOGLOBIN (Hb) Hemoglobin ký hiệu là Hb, còn gọi huyết sắc tố hay huyết cầu tố, là một Cromoprotein thuộc nhóm Porphyrinoprotein có màu đỏ, hiện diện trong hồng cầu của các động vật cao câp, đóng nhiều vai trò sinh lý quan trọng trong cơ thể. Hemoglobin kết tinh dưới dạng những tinh thể khác nhau tùy theo mỗi loài động vật. Hồng cầu người chứa khoảng 32% Hemoglobin, tương ứng với 15g trong 100 ml máu. 2 . 1 . Cấu tạo hóa học Hemoglobin gồm có hai phần: - Protein thuần: Globin - Nhóm ngoại: Hem. 2.1.1. Hem Hem là hợp chất gồm có nhân Protoporphyrin IX gắn với sắt hóa trị II (Fe2+). Fe2+ nằm ở trung tâm nôi với 4 nguyên tử N của bốn vòng pyrol qua 4 liên kêt nằm trên mặt phẳng của vòng Porphyrin (trong đó có 2 liên kết cộng hóa trị và 2 liên kêt phôi trí). Fe còn 2 liên kết phôi trí nằm ở vị trí thẳng góc với mặt phẳng phân tử, mỗi liên kêt ở về một phía. Các liên kết này có thể kết hợp với chuỗi polypeptid của Globin và một số chât khác (Ơ2, CO). Hình 5.4 Câu trúc hóa học của Hem 86
Hem bị oxy hóa thành Hematin, khi đó Fe2+ biến thành Fe3+. Hematin có thể được tách riêng dưới dạng muôi clorhydrat, thường kết tinh dưới dạng các tinh thể đặc biệt gọi là tinh thể Hemin hay Teichman (được ứng dụng trong pháp y để xác định các vết máu). = N N— = N N- '' / '' F e -O H F e -C l — N 'n — — N 'n - Hematin Hemin Hình 5.5 Dạng oxy hóa của Hem 2.1.2. Globin ở người trưởng thành, Globin của HbA gồm 4 chuỗi polypeptid có cấu trúc bậc I đã được xác định: - hai chuỗi a mỗi chuỗi có 141 acid amin - hai chuỗi Ị3, mỗi chuỗi có 146 acid amin. Các chuỗi này gắn với nhau bằng tương tác không cộng hóa trị tạo thành hai dimer (ot|3)i và (ccp)2 Trong cấu trúc bậc II , 80% acid amin củacác chuỗi a và p tạo nên 7 đoạn xoắn a helix (chuỗi a) hay 8 đoạn xoắn a helix (chuỗi P) .Mỗiđoạn xoắn có chiều dài từ 7 đến 20 acid amin, được ký hiệu A, B, c .....theo thứ tự (đoạn xoắn a đầu tiên là A, đoạn xoắn a thứ hai là B .....và đoạn xoắn a thứ 8 là H). Những đoạn acid amin còn lại không xoắn, nằm giữa nối các đoạn xoắn , được ký hiệu bởi hai mẫu tự của hai đoạn xoắn ở hai bên. (ví dụ: ở giữa đoạn xoắn A và đoạn xoắn B là đoạn AB không xoắn) Trong cấu trúc bậc I I I , các chuỗi a và p cuộn khúc tại các đoạn acid amin không xoắn. Mỗi chuỗi polypeptid xoắn và cuộn khúc kết hợp với một Hem tạo thành một tiểu đơn vị của Hb. Bốn tiểu đơn vị này kết hợp với nhau tạo thành một phân tử Hb có cấu trúc bậc bôn (Tetramer). về mặt không gian, chuỗi Globin cuộn lại tạo thành một khe kỵ nước chứa Hem. Đây chính là vị trí kết hợp với oxy. Hình 5.6: Các chuỗi polypeptid của Globin
2.1.3. Sự kết hợp giữa Hem và Globin để tạo thành Hemoglobin Mỗi chuỗi Polypeptid của Globin kết hợp với một Hem qua liên kết phôi trí giữa Fe2+ của Hem với nitơ (N) trong nhân imidazol của acid amin Histidin ở đoạn xoắn a- Helix F (His F 8) và đoạn xoắn a -Helix E (His E7) của mỗi chuỗi Globin ; tạo thành một tiểu đơn vị của phân tử Hb. His F 8 còn gọi là His gần, kết hợp trực tiếp với Fe của Hem, His E7 còn gọi là His xa vì không kết hợp trực tiếp với Fe của Hem, và khoảng cách từ His E7 đến Fe2+ xa hơn so với His F8 . Hai liên kết này ở về hai phía của mặt phẳng Protoporphyrin. M V M N' M HEM HEM \ ỉ / IV N — Fe— N 11 G L O B IN / / ! \ \ N V III HEM HEM M N N G L O B IN Hình 5.7 Sơ đồ sự kết hợp giữa Hem và Globin Vậy một phân tử Hb có cấu trúc bậc 4 gồm bôn tiểu đơn vị (tetramer) kêt hợp với nhau bằng các liên kết không cộng hóa trị, mỗi tiểu đơn vị là một chuỗi polypeptid kêt hợp với một Hem. Một phân tử Globin sẽ kết hợp với bốn Hem. Trọng lượng phân tử của Hb là 68.000. Tỷ lệ sắt trong Hb là 0,34%. ậ ,A ‘ Hình 5.8: cấu trúc bậc 4 của phân tử Globin
2.2 Các loại Hemoglobin Đặc tính chủng loại của Hemoglobin là do phần Globin quyết định. Các Globin khác nhau do thành phần và thứ tự sắp xếp của các acid amin khác nhau. Ngày nay, với kỹ thuật phân tích hiện đại, người ta đã xác định được cấu tạo của Globin thuộc các Hemoglobin bình thường hay bệnh lý. 2.2.1 Hemoglobin bình thường: - Hb G (Gower) (^2 £2) ;có ở phôi thai. - Hb p (Portland) 2 72): có ở phôi thai. - Hb F (Fetal) (ct2 72): có ở bào thai và trẻ sơ sinh. - Hb A (Adult) (ot2 P2): có chủ yếu ở người trưởng thành. - Hb A2 (O2 Ô ): chỉ chiếm 2,5% tổng sô" Hb ở người trưởng thành. Í 2 Các loại này chỉ khác nhau ở đoạn xoắn F của Globin. Bảng 5.2. Sự khác nhau về thành phần acid amin của HbA, HbA 2,HbF tại các đoạn xoắn Chuỗi Vi trí xoắn Polypeptid/Hb Fi f2 f3 f4 f5 f6 f7 Fs f9 HbA (P) Phe Ala Thr Leu Ser Glu Leu His Cys HbA2 (ỗ) Phe Ser Gin Leu Ser Glu Leu His Cys HbF (Y ) Phe Ala Gin Leu Ser Glu Leu His Cys 2.2.2 Hemoglobin bất thường (Hb bệnh lý) Nguyên nhân là do sự thay đổi thành phần và thứ tự sắp xếp của các acidamin trong phân tử Globin làm thay đổi độ tan và độ bền vững của Hb, ảnh hưởng đến ái lựccủa Hb đôi với oxy cũng như sự vận chuyển oxy đến các tổ chức. Các Hemogỉobin bất thường này là nguyên nhân gây ra một số bệnh lý. Thí dụ: • Hb s (d2Ap2S) : Glutamat ở vị trí 6 của chuỗi p được thay bằng valỉn, hồng cầu có dạng lưỡi liềm. Hồng cầu bị phá hủy gây bệnh lý thiếu máu tiêu huyết mãn tính, đau kéo dài, đột quị, suy thận , hội chứng ngực cấp ........ Bệnh HbS có thể được chẩn đoán bằng phương pháp điện di huyết thanh ở môi trường kiềm: HbS di chuyển về anod chậm hơn so với HbA. Hình 5.9: Hồng cầu hình lưỡi liềm (Hbs)
• Hb c (a 2AP2C) ' Glutamat ở vị trí 6 của chuỗi p được thay bằng lỵsin, • Hb M: là hiện tượng Fe luôn ở trạng thái Fe3+tạo thành Methemoglobin. Nguyên nhân là sự khiếm khuyết do di truyền như vài đột biến trong chuỗi a hay p - Globulin, thúc đẩy sự tạo thành Methemoglobin. Ngoài ra, còn có thể do sự thiếu enzym NADH - Cytocrom b5 reductase để biến đổi MetHb (chứa Fe 3+ ) thành Hb ( chứa Fe2+). • Thalassemia: Là bệnh huyết giải di truyền xảy ra do mất cân bằng trong sự tổng hợp các chuỗi polypeptid của Globin. - Bệnh a- Thalassemia do có sự bất thường trong tổng hợp chuỗi polypeptid a : Tạo thành Hb Bart (y 4) và Hb H (p 4 ) gây ra bệnh thiếu máu hồng cầu nhỏ nhược sắc, giảm khả năng phân phôi oxy đến mô. - Bệnh (3 -Thalassemia : do có những đột biến trong tổng hợp chuỗi p, nên chuỗi a không thể tạo thành dạng tetramer bền vững, sẽ kết tủa gây bệnh thiếu máu huyết giải nghiêm trọng trong hai năm đầu sau khi sinh, và thường bị tử vong trong khoảng từ 15-25 tuổi. Hình 5.10: Hồng cầu trong bệnh Thalassemia 2.3. Tính chất của Hemoglobin 2.3.1. Kết hợp với Ơ 2 Hb kết hợp thuận nghịch với một phân tử oxygen tạo ra Oxyhemoglobin (H b02). Sự kết hợp này không chặt chẽ và xảy ra nhanh: Hb cx HbCK Hem oglobin oxyhem oglobin Đây là phản ứng gắn oxygen hay sự oxygen hóa chứ không phải là sự oxid hóa V ion I sắt vẫn còn hóa trị 2 . M V M M \ i / IV N — Fe— N 11 ỉ \ V III O- M N N G L O B IN Hình 5.11: Sơ đồ kết hợp giữa Hb và Oxy 90
Khi Hb kết hợp với oxy, liên kết phối trí giữa His E7 và Fe2+ bị đứt, một phân tử oxy sẽ thế chỗ His E7 để gắn với Fe2+. Hình 5.12: Sự kết hợp giữa oxy và Hemoglobin Một nguyên tử Fe của Hem gắn với một phân tử Ơ2, nên một phân tử Hb gắn được bôn phân tử O 2. Và 1 g Hb gắn được 1,39 ml oxygen. Hb có cấu hình thay đổi tùy thuộc vào trạng thái có gắn với oxy hay không. - c ấ u hình không gắn oxy (Deoxyhemoglobin) được gọi là dạng “căng” hay trạng thái T (Tense), có ái lực yếu đốì với oxy. Ở trạng thái này, hai dimer a p tương tác với nhau qua một hệ thông liên kết hydro và liên kết ion, hạn chế sự di chuyển của các chuỗi polypeptid.Sự hình thành các cầu muôi giữa các chuỗi giúp cho trạng thái T của Deoxyhemoglobin được bền vững. - Cấu hình gắn với oxy (Oxyhemoglobin) là dạng “dãn” hay trạng thái R (Relax),có ái lực mạnh đốì với oxy. Ở trạng thái này, các liên kết hydro và ion giữa các dimer bị cắt đứt,các cầu muối bị phá vỡ nên các chuỗi polypeptid di chuyển tự do hơn. Như vậy khi Hb kết hợp với oxy, có sự chuyển từ dạng T sang dạng R. Sự kết hợp thuận nghịch giữa Hb với oxygen chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tô": • Sự tương tác Hem - Hem: Đường cong kết hợp với oxy có dạng Sigma cho thấy các tiểu đơn vị có tác động “cộng lực” trong sự kết hợp với oxygen. Điều này có nghĩa là sự kết hợp của một phân tử oxygen với một Hem đầu tiên sẽ làm gia tăng ái lực với oxygen của các Hem còn lại trong cùng phân tử Hemoglobin, (ái lực của Hb với phân tử oxygen cuối cùng tăng gâp 300 lần so với oxygen đầu tiên). Đây chính là sự tương tác Hem - Hem. • Phân áp của O2 (pƠ2). Ở phổi, nhờ pC>2 cao (lOOmmHg), phản ứng xảy ra theo chiều thuận tạo thành HbƠ2 , Hb bão hòa oxygen (khoảng 97% -98% ) theo dòng máu đến các mô. Ngược lại', ở các mô do pƠ 2 thấp (40mmHg), phản ứng xảy ra theo chiều nghịch, HbƠ2 bị phân ly nhả O2 để cung cấp cho các mô sử dụng trong quá trình chuyển hóa. Do đó, Hb đóng vai trò sinh lý quan trọng là vận chuyển oxygen từ phổi đên các tổ chức. Máu người hàng ngày phải mang 600 lít oxy từ phổi đên các tổ chức, chủ yêu là nhờ Hemoglobin của hồng cầu. 91
• Sự thay đổi của pH- Hiệu ứng Bohr Sự giải phóng oxygen từ Hemoglobin được gia tăng khi pH của máu giảm hay khi phân áp CƠ2 (pCƠ2) tăng. Đó là do ái lực với oxygen của Hb bị giảm. Đường cong kết hợp với oxy sẽ bị dịch chuyển về bên tay phải. Sự thay đổi khả năng kết hợp với oxy này được gọi là hiệu ứng Bohr. • Chất điều hòa 2,3- Diphosphoglycerat (2,3-DPG) 2 ,3 - D P G là sản phẩm trung gian của quá trình thoái hóa Glucid, có nhiều trong hồng cầu. Chất này làm giảm ái lực của Hb đốì với oxygen do có khả năng kết hợp và làm bền vững cấu hình T của phân tử Deoxyhemoglobin, kích thích giải phóng O 2 ở các tổ chức. Vị trí kết hợp là tại khe hỡ được tạo thành giữa hai chuỗi p, nằm ở trung tâm của phân tử Deoxyhemoglobin. Hình 5.13 : Sự kết hợp của 2,3- Diphosphoglycerat (2,3-DPG) với Hemoglobin 2.3.2. Sự kết hợp với Carbon dioxyd (CO2) Hb có thể kết hợp và vận chuyển CO2 một cách trực tiếp hay gián tiếp: K ết hợp trực tiếp Hb kết hợp với một phân tử carbon dioxid (CO2) tạo thành Carbohemoglobin (Carbamino- hemoglobin) thông qua nhóm amin (-NH2) tự do của 4 chuỗi polypeptid trong phân tử Globin (chứ không phải qua ion Fe2+ của nhóm ngoại Hem) tạo thành dẫn xuất Carbamat: Hb - NH2 + C02 ."*■ Hb-NH-COO- + H+ Hemoglobin Carbohemoglobin Phản ứng này thuận nghịch và xảy ra theo chiều nào là phụ thuộc vào phân áp của CO2 . ở mô, phân áp của CO 2 cao (pCƠ2 = 46mmHg), phản ứng xảy ra theo chiều thuận, Carbohemoglobin được tạo thành theo máu đến phổi. ở phổi, phân áp của C 0 2 thâp (pC 0 2 = 36mmHg), phản ứng xảy ra theo chiều nghịch , phân ly giải phóng CO2 và được đào thải ra ngoài theo đường hô hấp.
K ết hợp gián tiếp ở mô, dưới tác động của enzym Carbonic anhydrase, CO2 tạo thành H+ theo các phản ứng sau: Carbonic anhydrase C02 + H20 -i------ ĩr H2C 0 3 ------ _ 2H+ + HCCV 2H+ được tạo thành sẽ kết hợp với Hb vừa phóng thích 4 phân tử oxy để tạo thành 2H+Hb, theo máu để vận chuyển về phổi. Proton H+ được phóng thích sẽ ảnh hưởng đến hiệu ứng Borh. Như vậy, sự tạo thành proton H+, sự giảm pH máu và nồng độ cao của CO2 đã thúc đẩy sự phóng thích O2 và kết hợp với CO2 tại mô. ở phổi, phản ứng xảy ra theo chiều ngược lại, khi oxy gắn vào deoxy Hb sẽ đẩy H+ ra khỏi Hb. H+kết hợp với bicarbonat giải phóng cc>2,để đào thải ra ngoài theo đường hô hấp. Như vậy ngoài vai trò vận chuyển O2 từ phổi đến các tổ chức, Hb còn có nhiệm vụ vận chuyển CO2 là sản phẩm chuyển hóa cuối cùng tạo ra ở các tổ chức đến phổi để bài tiết ra ngoài theo đường hô hấp. 2.2.3. Sự kết hợp với Carbonmonoxid (CO) Hb kết hợp với phân tử Carbon monoxid (CO) tạo thành một hợp chất rất bền vững là Carboxyhemoglobin hay Carbon monoxyhemoglobin (HbCO). Chất này không còn khả năng vận chuyển oxygen. Carbon monoxyd gắn vào Hb tại vị trí giông như oxy, nhưng vì c o có ái lực với Hb mạnh hơn O2gấp 220 lần, nên nó có thể đẩy chất này ra khỏi HbŨ2 dễ dàng: Hb + CO -------- HbCO C a rb o x y h e m o g lo b in H b02 + CO 5= = ^ HbCO + 02 HbCO hiện diện trong cơ thể gây ngộ độc nặng. Song một lượng lớn oxygen có thể làm phân ly hợp chất này (phản ứng xảy ra theo chiều nghịch). Do đó, muốn điều trị ngộ độc do c o có thể dùng hỗn hợp khí Carbogen (95% O2 +5% CO2) để kích thích hô hấp. 2.2.4. Sự oxy hóa Hemoglobin Nhiều chất oxy hóa (như nitrit, nitrat, clorat, ferricianur, nitrobenzen, polyphenol....) có thể oxy hóa Fe2+ của Hb thành Fe3+ tạo thành Methemoglobin (M-Hb) và giải phóng điện tuf : Hb ^ =: — „ M - Hb + e - M ethem og lob in M-Hb không có khả năng gắn với O 2 nên không còn chức năng hô hấp. Khi có nhiều M-Hb trong cơ thể cũng gây ngộ độc, ngạt thở, da tím tái vì thiêu oxy mô (hội chứng Cyanose, xuất hiện khi nồng độ MetHb > 2,5%) 93
Trong cơ thể có enzym khử M-Hb thành Hb (NADH Methemoglobin reductase), hoặc có thể điều trị bằng cách tiêm các chất khử mạnh như xanh metylen, vitamin c.... Bình thường trong hồng cầu có < 2% Met Hb. Met Hb có thể tăng trong: - Ngộ độc bởi các chất oxy hóa - Thiếu men khử Met Hb do di truyền - Các bệnh Met Hb máu do các dạng Hb bất thường (HbM) 2.2.5. Tính chất enzym của Hemoglobin 2.2.5.1 Tính chất của Peroxidase Hb có tính chất xúc tác giông enzym Peroxydase, nghĩa là có khả năng xúc tác phản ứng phân hủy H2O : 2 H b h a y c à ta la s e 2H20 2 ------ — — ► 2H2 ° + 02 Tính chất này được ứng dụng để tìm máu trong nước tiểu và trong phân. 2.2.5.2 Tính chất của Catalase H b h a y c a ta la s e 2H20 2 ------ — — - 2H2 ° + 02 TÀI L Ệ U ĐỌC THÊM 1) N guyễn X uân T h ắn g .H óa sinh học. 87-95(2005). 2) Đỗ Đình Hồ. H óa sinh y học. 89-102 (2003) 3) Christopher K. Mathews ; K.E. Van Holde. Biochemistry, 215-243; 316-352 ; 619-697 (1996) 4) Richard A. Harvey; Pamela c . Champe. Biochemistry (3 d edition). 25-41(2005)
CÂU HỎI Tự LƯỢNG GIÁ 1. Chọn một câu trả lời đúng 1) Nhóm nào sau đây đều là Porphyrinoprotein: a) Hemoglobin, Cytocrom, Flavoprotein, Clorophyl. b) Myoglobin , Hemocyamin, Hemoglobin, Catalasc. c) Cytocrom, Hemoglobin, Myoglobin, Feritin. d) Clorophyl, Myoglobin, Cytocrom, Hemoglobin , 2) Hemoglobin bất thường có Hem chứa sắt ở dạng Fe3+ là: a) Hb s b Hb c ) c) Hb M d) Hb H " 3) Trong HbS : a) Glutamat ở vị trí 6 của chuỗi ß được thay bằng Lysin, hồng cầu có dạng hình lưỡi liềm. b) Glutamat ở vị trí 6 của chuỗi ß được thay bằng Valin, hồng cầu có dạng hình bia. c) Glutamat ở vị trí 6 của chuỗi a được thay bằng Lysin, hồng cầu có dạng hình bia. d) Glutamat ở vị trí 6 của chuỗi p được thay bằng Valin, hồng cầu có dạng hình lưỡi liềm. f 2. Chọn tập hợp câu trả lời đúng: 4) Trong cơ thể, Hb đóng vai trò: a) vận chuyển oxygen từ phổi đến các tổ chức b) vận chuyển CO 2 từ tổ chức đến phổi để bài tiết ra ngoài theo đường hô hấp. c) vận chuyển muôi vô cơ và đào thải chất cặn bã d) tạo hệ đệm trong sự điều hòa thăng bằng acid base trong cơ thể. 5) Sự kết hợp giữa Hb và oxy (O 2) a) Phản ứng thuận nghịch b) Fe2+ thành Fe3+ c) Một phân tử Hb kết hợp với một phân tử oxy. d) Do liên kết phôi trí. 6 ) HbCO: a) không bền b) không còn khả năng vận chuyển oxy ' c) gây ngộ độc nặng d) có thể điều trị ngộ độc chất này bằng liệu pháp oxygen. 7) Methemoglobin: a) được tạo thành do phản ứng oxy hóa Hemoglobin b) không còn chức năng hô hấp vì không thể gắn với oxy. c) gây hội chứng Cyanose. d) sắt vẫn còn hóa trị 2 95
8 ) Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng kết hợp với oxy của Hemoglobin là: a) nhiệt độ b) pH c) nồng độ CƠ 2. d) 2,3 - Diphosphoglycerat 9) Cấu tạo hóa học của Hemoglobin a) Gồm có phần protein là Globin và nhóm ngọai là H em ., b) Mỗi chuỗi polypeptid của Globin kết hợp với bốn Hem tạo thành một tiểu đơn vị của phân tử Hb. c) Globin kết hợp với Hem qua liên kết phôi trí d) Có cấu trúc bậc 4 10 ) Cromoprotein có nhân Porphyrin kết hợp với Fe 2+ là: a) Myoglobin b) Clorophyl c) Cytocrom d) Hemoglobin CÂU HỎI NGHIÊN CỨU BÀI HỌC 1) Trình bày sự kết hợp giữa Hem và Globin để tạo thành Hemoglobin. 2) Phản ứng kết hợp giữa Hb và O 2. Phản ứng này thể hiện vai trò gì của Hb trong cơ thể. 3) Phản ứng kết hợp giữa Hb và CO 2. Phản ứng ứng này thể hiện vai trò gì của Hb trong cơ thể 4) Hãy nêu một sô" dạng Hb bình thường và bất thường có thể hiện diện trong cơ thể.
CHƯƠNG 6 HÓA HỌC ACID NUCLEIC M ự c TIÊU 1. Viết được sơ đồ thủy phân của nucleoprotein. 2. Viết được công thức của nucleotid nhân Pyrimidin và Purin có trong ARN và ADN. 3. Phân biệt được các liên kết trong nucleosid, nucleotid, nucleosid di và triphosphat. 4. Nêu được vai trò nucleotid 5. Nêu được cấu trúc ADN và ARN 6 . Biết được các chất có cấu tạo tương tự nucleotid dùng trong hóa trị liệu 1. ĐẠI CƯƠNG Nucleoprotein thuộc loại protein phức tạp mà thành phần cấu tạo gồm một nhóm ngoại không phải là protein (gọi là acidnucleic) gắn với một hay nhiều phân tửprotein đơn giản (thường là protein kiềm nhưprotamin hoặc historì). Nucleoprotein =protein + nhóm ngoại (acidnucleic) Tất cả mọi tế bào sống đều chứa nucleoprotein và những hệ thông đơn giản như virus (siêu vi trùng) có thành phần cấu tạo hoàn toàn là nucleoprotein. Chất nhiễm sắc (cromatin), một thành phần quan trọng nhất của tế bào cũng hoàn toàn gồm nucleoprotein. Nucleoprotein Protein đơn gián Acid nucleic (histon hoặc protamin) (Polynucleotid) Ribonuclease Desoxyribonuclease Mononucleotid Mononucleotidase Nucleosid Acid phosphoric Base ose (Đường) (Purin hoặc Pyrimidin) (Ribose hoặc Desoxyribose) Hình 6.1. Sơ đồ thủy phân nucleoprotein 97
2. ACID NUCLEIC Người ta phân biệt 2 loại acid nucleic khác nhau tùy theo thành phần cấu tạo của ose trong phân tử acid nucleic: - Acid ribonucleic (ARN) nếu ose là ríbose - Acid desoxyribonucleic (ADN) nếu ose là desoxyribose ARN và ADN có ở tất cả các tế bào, ADN tập trung chủ yếu ở nhân, ARN có nhiều trong tê bào chất và một phần trong nhân. Trong tế bào, acid nucleic không ở dạng tự do mà kêt hợp với protein. 2.1. Thành phần cấu tạ o cửa acid nucleic - Acid nucleic là những chất trùng hợp từ những đơn vị có tên là nucỉeotid, do đó acid nucleic còn được gọi là poìynucleotid. - Nucleotid này khác với những đơn phân tử tạo thành những đại phân tử mà chúng ta vừa học qua (glucose của tinh bột hoặc của glycogen, amino acid của protein) là chúng có thể thủy phân thành 3 cấu tử: base dị vòng có nitơ, pentose và acid phosphoric. Cũng nên nhắc lại ở đây là những nucleotid không những chỉ là những hợp chất trùng hợp của acid nucleic, mà còn là những chất giữ vai trò quan trọng trong sự biến dưỡng trung gian, thí dụ như tích trữ năng lượng (ATP) hay là những coenzym (NAD+, NADP+, FAD, Coenzym A) 2.1.1. Pentose - Trong ARN ose là P-D-Ribose và trong ADN ose là p-2-desoxy D-Ribose b DRibose b 2_deoxy D_Ribose Hình 6.2. đường Ribose 2.1.2. Base có nitơ Nhũng base có nitơ của acid nucleic thuộc loại hợp chất dị vòngpỵrimidin và purín, trong đó một hay nhiều nguyên tử hydrogen được thay thế bởi những gốc hydroxyl amin hay metyl. 3 1 Purin Pyrim idin Hình 6.3. Nhân Pyrimidin và purin 98
2.1.2.1. Base có nitơ có nhân pyrím idin Có 3 loại base có nhân pyrimidin là cytosin, uracil và thymin. Trong A R N có cytosin và uracil, trong A D N có cytosin và thỵmin NH C ytosin Uracyl Thym in 2 _ o x y 4 _ a m in o p y r im id in 2 , 4 _ d io x y p y r im id in 5 _ m e ty l Ü r a c y ỉ Hình 6.4. Các base nitơ nhân pyrimidin 2.1.2.2. Base có nitơ có nhân purin Purin do kết hợp 2 nhân: pyrimidin và imidazol. Hai base chinh tìm thấy trong ARN và ADN là: Adenin và Guanin Adenin Guanỉn 6 _ a m in o p u r in 2 _ a m in o 6 _ o x y p u rin Hình 6.5. Các base nitơ nhân pyrimidin Ngoài 2 thành phần khác nhau căn bản về Ribose và desoxyribose của ARN và ADN, người ta còn thấy sự khác nhau về thành phần của base pyrimidin giữa ARN và ADN. - ARN chỉ có Ưracil, không có Thymin. - ADN chỉ có Thymin, không có Uracil. 2.1.3. Nucleosid Nucleosid là sản phẩm thủy phân không hoàn toàn của acid nucleic. Nucleosid gồm 2 thành phẩn: base purin hay pỵrimidin và pentose. Liên kết này nốì nitơ sô 9 của base purin hoặc nitơ sô 1 của base pyrimidin với carbon s ô 'ỉ của pentose, vổi sự loại ra 1 phân tử nước. Pentose dưới dạng furanose và liên k ế t osidic dưới dạng ß. - Với Ribose người ta có Ribonucleosid (hoặc Ribosid) - Với Desoxyribose người ta có Desoxyribonucleosid (hoặc Desoxyribosid) 99
* Cấch gọi tên Nucleosid có nhân pyrímidin mang tên tận cùng là idin. Nucleosid có nhân purin mang tên tận cùng là osin. Bảng 1: Cách gọi tên nucleosid BASE RIBONƯCLEOSID DESOXYRIBONƯCLEOSIE Cytosin Cytidin Desoxycytidin Pyrimidin ưracyl ưridin Thymin Desoxythymidin Purin Adenin Adenosin Desoxyadenosin Guanin Guanosin Desoxyguanosin 2.1.4. Nucleotid (Mononucleotid hay nucleosidmonophosphat) Mononucleotid là đơn vị cơ sở của acid nucleic Mononucleotid được tạo thành khi chức alcoỉ của pentose được ester hóa bởi acid phosphoric (H3POẠ Thủy giải H+ yếu Mononucleotid -----------------------►Base + Pentose - Phosphat Thủy giải OH' yếu Base - Pentose (Nucleosid) + Phosphat Mỗi ribonucleosid có 3 vị trí có thể phosphoryl hóa (OH ở carbon số 2’, 3’, 5’). Còn Desoxyribonucleosid chỉ có thể phosphoryl hóa ở C 3 - và C 5 ’ . Ngoài ra còn có nucleotid vòng khi H3PO4 ester hóa 2 nhóm OH của pentose cùng 1 lúc (OH ở 2’ và 3’ hoặc ở 3’ và 5’). Quan trọng nhất là AM P Kỏ/T^tham gia vào nhiều cơ chế khác nhau của sự biến dưỡng. 100
Hình 6.6 Cấu trúc của nucleotid cAMP Hình 6.7. cAMP Bảng 6.2. Danh pháp nucleosid và nucleotid monophosphat BASE NUCLEOSID NUCLEOTID Purin Adenin Adenosin Adenosinmonophosphat (AMP) Guanin Guanosin Guanosinmonophosphat (GMP) Cytosin Cytidin Cytidinmonophosphat (CMP) Pyrimidin Uracyl Uridin Uridinmonophosphat (ƯMP) Thymin Thymin Thymidinmonophosphat (TMP) 2.1.5. Nucleosid di và triphosphat Nhiều tổ chức động vật còn có các nucleosid di và triphosphat (thường là những ribonucleosid 5’ di và triphosphat). 101
Một gốc phosphat thứ hai có thể gắn lên gốc phosphat thứ nhất của nucleosid 5’- monophosphat tạo thành nucleosid 5’diphosphat, 1 gốc phosphat thứ ba có thể kết hợp với nhóm phosphat thứ hai để tạo thành nucleosid 5’-triphosphat. Những nucleosid di và triphosphat tham gia phần quan trọng trong chuyển hóa cắc chất ở cơ thể và quấ trình trao đổi năng lượng như ađenosin di và triphosphat. \ Lieâ k e ố Lieâ k eả a n h y d r ic e s te A d e n ỉn H O -ệ -0 -P -O -È ? ỉ l / tí R ib o s e 0 / A d e n o s in 5 * _ m o n o p h o s p h a t (A M P ) V A d e n o s in 5 _ d ip h o s p h a t (A D P ) \ _____________ ____________ / A d e n o s in 5 _ t r ip h o s p h a t (A T P ) Hình 6 .8 . ADP, ATP 2.1.6. Chức năng sinh học của Nucleotid Nucleotid tham gia vào nhiều phản ứng hay các quá trình sinh học như tổng hợp protein, tổng hợp acid nucleic, cơ chế điều hòa và truyền thông tin. Những chức năng sinh học khác nhau của nucleotid như: là chất dự trữ và vận chuyển năng lượng, là coenzym, là chất truyền thông tin thứ hai. Các nucleotid đóng vai trò sinh học trong cơ thể như: ATP, GTP, ƯDP, CTP, AMPc, GMPc, adenosin 3’-phosphat-5’-phosphosulphat, S-adenosylmethionin, các coenzym là dẫn chât của adenosin monophosphat... ATP Đóng vai trò dự trữ và vận chuyển năng lượng. ATP là nguồn năng lượng chủ yếu cho phần lớn các phản ứng trong tế bào. GTP GTP là nguồn năng lượng cho quá trình tổng hợp protein. UDP, UTP Có vai trò quan trọng trong chuyển hóa glucid. Đặc biệt là trong các phản ứng epime hóa, trong tổng hợp glycogen, tổng hợp galactose, trong tổng hợp oligosaccarid của glycoprotein và proteoglycan. ƯDP-glucuronic tham gia trong phản ứng liên hợp glucuronic của bilirubin và một số thuốc như aspirin. CTP Tham gia trong tổng hợp phosphoglycerid, sphingomyelin, sphingosin. 102
AMPc, GMPc AMPc là chất truyền thông tin thứ hai. Trong quá trình giãn cơ trơn, GMPc là chất truyền thông tin thứ hai đáp ứng lại NO. Adenosin 3 ’-phosphat-5’ hosphosulphat p Là chất chuyển gốc sulfat trong tổng hợp proteoglycan, trong phản ứng liên hợp sulfat với thuốc. Ỹ A denin—R ibose— © - 0 - S Ơ 3 Adenosin 3'_phosphat s'-phosphosulfat S-adenosylmethionin Là chất vận chuyển gốc methyl trong phản ứng methyl hóa (ví dụ trong chuyển hóa lipid). Coenzym Nhiều coenzym là dẫn chất của adenosin monophosphat được trình bày trong bảng sau: \ Adenin „ "Ò OR' V íR Hình 6.9. Công thức chung của một số coenzym Bảng 6.3. Cấu tạo của một sô" coenzym : Coenzym R R’ R” n i 3 \5 ’-cAMP H P 0 32' 1 NAD Dẫn chất của vitamin B H H 2 NADP Dan chất của vitamin B PO 32 H 2 FAD Dan chất của vitamin B H H 2 CoASH Dan chất của vitamin B H PO32' 2 2.1.7. Các chất tổng hợp có cấu tạo tương tự nucleotid được dùng trong hóa trị liệu. Các chất tổng hợp 'tương tự’giống nhân purin, nhân pyrimidin, nucleosid, nucleotid bằng cách thay đổi trên nhân dị vòng hay trên phần đường được dùng rất nhiều trong điều trị y học. Tác dụng chủ yếu của nó là ức chế các enzym trong quá trình tổng hợp acid nucleic hay tham gia trực tiêp vào quá trình tổng hợp nucleic và làm phá vỡ cấu trúc ADN. 103