Bài giảng Hóa sinh (Ngành Nuôi trồng thủy sản - Trình độ Cao đẳng): Phần 2 - Trường Cao đẳng Thủy sản

Chia sẻ: AndromedaShun _AndromedaShun | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:35

Thêm vào BST

Báo xấu

34
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Hóa sinh (Ngành Nuôi trồng thủy sản - Trình độ Cao đẳng): Phần 2 cung cấp kiến thức về glucid và sự chuyển hóa phân tử glucid; enzyme; vitamine;... 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 (Ngành Nuôi trồng thủy sản - Trình độ Cao đẳng): Phần 2 - Trường Cao đẳng Thủy sản

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... 41
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: 42
- 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%. 43
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 44
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. 45
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 46
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. 47
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 48
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 49
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 50
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 Acetyl.CoA - A co OH NAD+ H-CH-COO- n i ta HO COO- NADH+H se OH Citrat Pyruvat se + Glucose n ta sy COO- te C it r a O= C- H-CH-COO- CH2-COO- H-C-COO- Oxaloaxetat HO-CH-COO- Malate Isocitrat dehydrogenase NAD+ NADH+H + Isocitrate dehydrogenase COO- NAD+ HO-C-H- Krebs NADH+H+ CO2 CH2-COO- Malat H-CH-COO- Fumarase H-C-H- O=CH-COO- COO- FADH2 -Ketoglutarat H2O C-H- -Ketoglutarate NAD+ CH-OO- ATP NADH+H+ dehydrogenase FAD ADP Fumarat CoASH H-CH-COO- H-CH-COO- Succinate H-C-H- GTP - dehydrogenase GDP+Pi H-C-H 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 51
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 52
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. 53
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 54
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. 55
- 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 56
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 57
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] 58
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 59
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 60