ĐỀ CƯƠNG HÓA SINH

Câu 1: Các mức cấu trúc của phân tử protein. Mối quan hệ giữa cấu trúc và chức năng?

*) Các mức cấu trúc của Pr:

Phần lớn các liên kết có trong chuỗi polypeptide có thể quay tự do và trục của 1 chuỗi polypeptide rất linh động. Tuỳ thuộc vào lực tác động mà chúng có những dạng rất khác nhau. Sự biến dạng của một chuỗi peptide, sự sắp xếp của những phần sợi, sự uốn cong và những nếp gấp có trong một chuỗi peptide, được gọi là cấu trúc.

Để thuận tiện người ta thường phân biệt cấu trúc của phân tử protein thành 4 bậc như sau: bậc I, bậc II, bậc III và bậc IV.

Cấu trúc bậc I là trình tự sắp xếp các gốc aminocid trong chuỗi polypeptide. Cấu trúc này được giữ vững nhờ liên kết peptide (liên kết cộng hoá trị).

Vì mỗi một aminocid có gốc khác nhau, các gốc này có những đặc tính hoá học khác nhau, nên một chuỗi polypeptide ở các điều kiện khác nhau có những đặc tính hoá học rất khác nhau.

Tuy nhiên về tổng quát thì tất cả các sợi polypeptide được xây dựng một cách có hệ thống từ các nhóm nguyên tử CO, CH và NH. Sự xây dựng có hệ thống này là cơ sở để tạo nên cấu trúc bậc hai.

Cấu trúc bậc II là tương tác không gian giữa các gốc aminoacid ở gần nhau trong mạch polypeptide. Cấu trúc được làm bền chủ yếu nhờ liên kết hydro được tạo thành giữa các liên kết peptide ở kề gần nhau, cách nhau những khoảng xác định.

Cấu trúc bậc hai của phân tử protein: xoắn α (α-helix), phiến lá gấp β và xoắn collagen. Loại α-helix là sợi ở dạng xoắn ốc, quấn xung quanh một trục, mỗi vòng xoắn có 3,6 gốc aminoacid (hình 7.5).

Ở đây do nhóm CO và nhóm NH của aminoacid thứ tư trên chuỗi gần nhau, giữa hai nhóm này có thể tạo nên một cầu hydro. Các liên kết H tương đối lỏng lẽo và có thể được cắt đứt khi nhiệt độ cao. Phân tử protein mất cấu trúc bậc hai thì enzyme mất hoạt tính xúc tác.

α-helix là cấu trúc của hầu hết những protein mạch thẳng (protein sợi). Dạng sợi tồn tại ở trong α-keratin của tóc, lông, móng và da từ chuỗi polypeptide có cấu trúc α. Cấu trúc này trong phân tích Rơnghen là những chu kỳ 0,5-0,55 nm. Khi xử lý bằng hơi nước người ta có thể kéo dài chuỗi, lúc này xuất hiện chu kỳ là 0,7 nm.

Cấu trúc tồn tại ở trong β-keratin được gọi là cấu trúc phiến lá gấp.

Việc xác định cấu trúc bậc I của phân tử protein có ý nghĩa quan trọng:

- Là bước đầu tiên quan trọng để xác định cơ sở phân tử hoạt tính sinh học, tính chất hoá, lý của protein.

- Là cơ sở xác định cấu trúc không gian của phân tử protein dựa vào cấu trúc không gian của các phân tử protein tương đồng.

- Cấu trúc bậc I là bản phiên dịch mã di truyền. Vì vậy cấu trúc này nói lên quan hệ họ hàng và lịch sử tiên hoá của thế giới sinh vật.

- Là yếu tố góp phần quan trọng trong nghiên cứu bệnh lý phân tử. Kết quả nghiên cứu cho thấy: khi thay đổi thứ tự aminoacid, thậm chí chỉ một gốc aminocid trong phân tử protein có thể làm thay đổi hoạt tính sinh học, gây những bệnh đặc trưng. Ví dụ điển hình là bệnh thiếu máu hồng cầu hình lưỡi liềm, là do cấu trúc bậc I của hemoglobin thay đổi: gốc aminocid ở vị trí thứ 6 trong chuỗi β của hemoglobin A (bình thường) bị thay thế bằng gốc aminoacid valin.

- Là cơ sở để tổng hợp nhân tạo protein bằng phương pháp hoá học hoặc bằng phương pháp công nghệ sinh học. Frederick

Sanger (1953) đã đề ra phương pháp và sử dụng phương pháp này thành công để xác định trình tự sắp xếp các aminocid trong phân tử insulin (polypeptide có hoạt tính hormone). Đến nay rất nhiều protein đã được xác định cấu trúc bậc I. Insulin là protein đầu tiên được tổng hợp bằng phương pháp hoá học vào năm 1966. Ngày nay bằng phương pháp công nghệ sinh học người ta sử dụng E.coli để tổng hợp insulin.

Cấu trúc bậc III là tương tác không gian giữa các gốc aminacid ở xa nhau trong chuỗi polypeptide, là dạng cuộn lại trong không gian của toàn mạch polypeptide.

Nhiều sợi polypeptide trong cơ thể sống tồn tại không phải ở dạng thẳng mà gập khúc và qua đó mà tạo nên cấu trúc không gian ba chiều. Tuy nhiên cấu trúc này hoàn toàn xác định, chủ yếu là do trình tự các aminoacid và môi trường. Khi một sợi polypeptide tách ra khỏi ribosome sau khi tổng hợp và được thải ra trong tế bào chất như là môi trường tạo hình thì nó hình thành nên cấu trúc tự nhiên rất nhanh, đặc biệt đối với cấu trúc hình cầu, mang lại cho protein những đặc tính sinh lý quan trọng. Có thể do chuyển động nhiệt của các sợi polypeptide mà các nhóm của các gốc aminoacid tiếp xúc với nhau, dẫn đến có thể kết hợp với nhau. Trong nhiều protein hình cầu có chứa các gốc cysteine, sự tạo thành các liên kết disulfide giữa các gốc cysteine ở xa nhau trong chuỗi polypeptide, làm cho mạch bị cuộn lại đáng kể. Các liên kết khác, như liên kết Val de Waal, liên kết tĩnh điện, phân cực, kỵ nước và hydro giữa các mạch bên của các gốc aminoacid đều tham gia làm bền cấu trúc bậc III.

Cấu trúc hình cầu của protein được gọi là cấu trúc bậc ba, là cấu trúc của enzyme. Ở chúng một nhóm prosthetic có thể kết hợp đồng hoá trị, ví dụ heme. Nhưng những nhóm gốc aminoacid riêng lẽ cũng có thể là các nhóm hoạt động trong phản ứng enzyme. Sự hoà tan của protein được xác định ở một mức độ nhất định nhờ cấu trúc bậc ba. Ở nhiều protein hình cầu các nhóm kỵ nước định hướng vào bên trong, những nhóm ưa nước hướng ra ngoài. Những nhóm ưa nước này kết hợp với nước như là chất hoà tan bằng các cầu hydro, phức hệ này tồn tại trong dung dịch. Trình tự aminoacid của protein của những enzyme cùng chức năng cho biết mức độ quan hệ họ hàng của các loài. Mức độ quan hệ họ hàng càng gần, thì mức độ tương ứng về trình tự aminacid càng lớn. Điều rất thú vị ở đây là những đoạn trình tự quan trọng nhất, ví dụ những vùng phản ứng, trong quá trình tiến hoá hầu như không thay đổi, được bảo tồn và như vậy cấu trúc bậc hai, bậc ba được duy trì.

Cấu trúc bậc IV: Cấu trúc này được hình thành ở các phân tử protein gồm 2 hay nhiều chuỗi polypeptide hình cầu. Tương tác không gian giữa các chuỗi này trong phân tử gọi là cấu trúc bậc IV. Mỗi chuỗi polypeptide này gọi là " phần dưới đơn vị" (subunit). Sự kết hợp giữa các phân tử này lỏng lẽo và chủ yếu là do liên kết hydro và kỵ nước. Bằng cách này hai phân tử xác định có thể kết hợp với nhau tạo thành 1 dimer. Một thí dụ về sự kết hợp này là hemoglobin, được tạo nên từ 2 chuỗi α với mỗi chuỗi có 141 và 2 chuỗi β với mỗi chuỗi là 146 gốc aminoacid. Đại phân tử dạng này bên cạnh protein còn là thành phần cấu tạo của nucleic acid, các ribosome. Các ribosome của sinh vật tiền nhân gồm 55 sợi polypeptide khác nhau và 3 nucleic acid khác nhau kết hợp lại. Nhiều virus có lớp vỏ bên ngoài, có cấu tạo từ nhiều phân tử protein xác định và bao quanh nucleic acid xoắn ốc ở bên trong. Các đại phân tử trên kết hợp với nhau tự động trong môi trường phù hợp để thành dạng tồn tại trong tự nhiên.

*)Mối quan hệ giữa cấu trúc và chức năng:

Cấu trúc của một hoặc nhiều chuỗi polypeptide có ý nghĩa quan trọng đối với độ hoà tan và chức năng của chúng. Cấu trúc protein được hiểu là sự sắp xếp của những sợi riêng lẽ hoặc nhiều sợi. Chúng phụ thuộc nhiều vào độ pH của môi trường. Protein và chuỗi polypeptide hoà tan tốt khi những nhóm ưa nước hướng ra phía ngoài, nhóm kỵ nước hướng vào bên trong. Khi một protein thay đổi cấu trúc thì những nhóm kỵ nước quay ra ngoài, protein mất khả năng hoà tan trong nước, ví dụ trường hợp kết tủa không ở dạng tinh thể của protein sữa trong môi trường chua. Acid lactic được sản sinh do vi khuẩn làm giảm pH sữa, làm thay đổi protein sữa. Nhiều nhóm kỵ nước được hướng ra bên ngoài, protein mất khả năng tan trong nước. Vì vâỵ sự thường xuyên duy trì giá trị pH trong tế bào chất rất quan trọng, vì chỉ có như vậy chức năng hoạt động của các enzyme trong tế bào chất mới được đảm bảo.

Bên cạnh H+ còn có những cation khác có ý nghĩa đối với các phản ứng enzyme ví dụ K+. Nồng độ của nó trong tế bào chất cao hơn so với các loại cation khác và nằm trong khoảng 100 đến 150 mM. Nồng độ K+ cao có ý nghĩa đối với sự tổng hợp protein.

Nồng độ Ca2+ trong tế bào chất rất thấp, tuy nhiên nó có vai trò quan trọng đối với cấu trúc của các protein khác nhau. Calmodulin là một polypeptide kết hợp với Ca2+ làm cho các vùng kỵ nước được hướng ra ngoài, các vùng này kết hợp với các enzyme và hoạt hoá các enzyme như phosphodiesterase, adenylate-cyclase, photoarylase và ATPase. Bằng cách tương tự troponin C và paralbumin hoạt hoá những enzyme khác bằng việc thay đổi cấu trúc khi kết hợp với Ca2+. Những Ca-protein này thay đổi phản ứng enzyme. Những liên kết thực hiện ở những vị trí hoàn toàn xác định, thực chất là helix-dãi nối-helix

Dạng này của một liên kết Ca tồn tại từng đôi và đặc trưng đối với calmodulin, troponin C và paralbumin. Cấu trúc này bao gồm một chuỗi polypeptide có 12 gốc aminoacid, trong đó 7 nhóm carboxyl có nguyên tử O kết hợp với Ca2+. Cấu trúc này tương ứng với một hình tháp đôi 5 mặt, nghĩa là một diện tích cơ bản với 5 mặt, ở phía trên và phía dưới còn có một CO. Ở trung tâm cấu trúc không gian ba chiều này có nguyên tử Ca2+, ở mỗi một gốc có 1 nhóm CO

Liên kết với Ca2+ ở trung tâm làm thay đổi cấu trúc của protein.

Troponin C có tổng số 4 vị trí kết hợp với Ca2+, trong đó 2 liên kết có ái lực mạnh và 2 liên kết có ái lực yếu. Sự bão hoà Ca2+ phụ thuộc vào nồng độ Ca2+ trong hệ thống. Cũng như vậy đối với calmodulin. Nồng độ Ca2+ cũng ảnh hưởng đến những quá trình enzyme bằng những Ca-protein.

Vai trò quan trọng nhất của troponin C là điều khiển sự co rút của mô cơ. Paralbumin cũng có mặt trong mô cơ, có ý nghĩa đối với thư giản mô cơ. Vị trí kết hợp của nó với Ca2+ cũng có ái lực cao với Mg2+.

Câu 2: Các chức năng của phân tử protein? Ví dụ?

Chức năng của protein được chia ra các nhóm như sau:

1. Chức năng enzyme

2. Chức năng cấu trúc

3. Chức năng dự trữ

4. Chức năng vận chuyển

5. Hormone

6. Chức năng bảo vệ

7. Chức năng co rút

8. Chất độc

Về chức năng enzyme của protein đã được đề cập nhiều lần, đặc biệt trong "cấu tạo và cơ chế tác động của enzyme". Protein là chất xây dựng đóng một vai trò đặc biệt quan trọng trong cơ thể động vật. Chất khung được tạo nên từ protein. Thuộc loại này gồm có da, tóc, sừng, lông và collagen là thành phần cơ bản của gân và có khoảng 18% tham gia vào cấu tạo của xương.

Một chức năng phổ biến khác của protein là cấu tạo nên màng sinh học.

Màng sinh học có chức năng là giới hạn những vùng trao đổi chất và tham gia vào việc vận chuyển các chất. Màng sinh học cũng có khả năng chuyển đi những tín hiệu. Protein màng cũng có thể là các enzyme. Chức năng này được thể hiện ở màng trong của ty thể và lạp thể. Màng sinh học bao gồm lớp kép lipid với những protein phân bố ở trong đó. Những thành phần lipid quan trọng nhất là phosphoglyceric, glycoglyceric, sterol và sphingolipid. Lớp kép lipid của màng sinh học là những phân tử lipid có những đuôi kỵ nước quay lại với nhau, trong khi đó những gốc đường và phosphate hướng ra phía ngoài Ở đây thành phần glycerine là trục vuông góc với mặt phẳng của màng. Lớp kép lipid không đối xứng, nghĩa là ở hai phía của màng có những phân tử lipid khác nhau. Những phân tử protein nằm trong lớp kép lipid làm bền vững màng và nhô ra ở hai phía màng. Thành phần protein nằm ở trong lớp kép lipid, có đặc tính chủ yếu là kỵ nước, thành phần protein mà nhô ra phía ngoài, có đặc tính chủ yếu là ưa nước. Sợi protein nhô ra ở phía tế bào chất thường kết hợp với một protein ngoạivi, những phân tử protein hướng về phía màng tế bào thì thường kết hợp với một chuỗi carbohydrate.

Ở trong lớp kép lipid thì phân tử protein có những liên kết kỵ nước và liên kết ion. Những liên kết ion như liên kết giữa nhóm NH3+ của protein và của gốc phosphate của phospholipid. Những liên kết này nhạy cảm với độ pH. Vì vậy màng sinh học bị ảnh hưởng, thậm chí bị phá huỷ bởi giá trị pH thái quá. Mức độ quánh đặc nhiều hay ít của màng sinh học bị ảnh hưởng lớn bởi nhiệt độ. Ở nhiệt độ thấp màng sinh học có cấu trúc giống như tinh thể. Khi nhiệt độ tăng lên đến nhiệt độ chuyển pha cấu trúc rắn sẽ chuyển sang cấu trúc tinh thể lỏng. Nhiệt độ chuyển pha tăng theo độ dài và độ no của acid béo. Ca2+ làm ổn định màng, nó liên kết với những nhóm ở phần đầu chủ yếu tích điện âm, ví dụ gốc phosphate của phospholipid. Ca2+ có khả năng tạo liên kết với hai nhóm tích điện âm. Vì vậy Ca2+ sẽ làm giảm tính thấm của màng, trong khi những ion hoá trị một, đặc biệt là H+ làm tăng tính thấm. Tính thấm cũng bị ảnh hưởng bởi đặc tính của lipid. Thành phần steroid và những gốc acid béo no và có mạch carbon dài làm cho màng sít lại, những gốc acid béo chưa no làm cho màng lỏng lẻo ra, do vậy làm tăng tính thấm của màng.

Khi người ta nói đến tính thấm của màng chủ yếu là nói đến tính thấm của những chất ưa nước. Những chất này thấm qua màng rất ít, trong khi đó những phân tử kỵ nước có thể thấm qua hoặc khuếch tán qua màng. Hầu hết những chất trao đổi có đặc tính ưa nước, đối với chúng màng sinh học là cái chắn đáng kể và ở đây chúng cần một cơchế đặc biệt hơn để vận chuyển qua màng.

Protein dự trữ được tích luỹ trong mô dự trữ và khi cần sử dụng thì được huy động. Protein dự trữ điển hình ở động vật là protein trứng và sữa. Đó là protein cần thiết đối với động vật còn non, tương tự protein của hạt và quả, là nguồn dinh dưỡng đối với cây con.

Chất lượng protein được đánh giá theo thành phần các aminoacid không thay thế. Đó là những aminoacid mà cơ thể người và động vật không có khả năng tổng hợp được.

Những protein động vật, và cả protein của lá cây phần lớn là giàu aminoacid không thay thế. Protein của hạt và ngũ cốc chứa ít aminoacid không thay thế. Ở protein ngũ cốc là lysine ở protein hạt và đậu các loại là methionine có hàm lượng thấp và nógiới hạn giá trị sinh học của những loại protein này.

Ở sự giải độc các kim loại nặng nhờ những polypeptide đơn giản theo kiểu phytochelatin có ý nghĩa quan trọng. Ví dụ polypeptide đơn giản có nguồn gốc từ glutation và có công thức chung như sau:

(γ-glutamyl-cysteinyl)n-glycine

Do có nhiều nhóm SH chúng có khả năng kết hợp chặt với các kim loại nặng, làm cho những kim loại nặng này không thể gây rối loạn trao đổi chất. Sự tổng hợp phytochelatin được kích thích bởi những kim loại nặng như Cd, Cu, Ag, Bi và Au.

Protein bảo vệ có một vai trò lớn trong sinh học miễn dịch. Động vật có xương sống có một cơ chế phức tạp, phát triển cao, với cơ chế này chúng ngăn ngừa những tác nhân vi sinh vật gây bệnh (virus, vi khuẩn, nấm, chất độc vi khuẩn). Chức năng này có phần liên quan đến đặc tính của chuỗi polypeptide. Hệ thống tự vệ toàn bộ, sinh học miễn dịch là một lĩnh vực khoa học phát triển độc lập. Một protein lạ (virus, vi khuẩn, nấm) xâm nhập vào máu hoặc vào mô thì cơ chế tự vệ được huy động rất nhanh. Protein lạ được gọi là antigen. Nó có một vùng gồm một trật tự xác định các nguyên tử, với vùng này nó kết hợp với tế bào lympho và kích thích tế bào này sản sinh ra kháng thể. Những tế bào lympho tồn tại trong hệ thống miễn dịch với số lượng 109 và có trên bề mặt của nó những vùng nhận, nơi mà antigen được kết hợp vào. Những vùng nhận này rất khác nhau và "phù hợp" mỗi vùng cho 1 antigen xác định. Những tác nhân khác nhau có những tế bào lympho xác định khác nhau với những vùng nhận phù hợp. Khi một antigen kết hợp với tế bào lympho thì nó bắt đầu sản sinh kháng thể đặc hiệu đối với tác nhân gây bệnh. Những tế bào lympho khác không được kích thích cho việc sản sinh ra kháng thể. Có sẵn một số lượng lớn các tế bào lympho khác nhau, chúng có thể tổng hợp được rất nhanh những kháng thể khác nhau khi kháng nguyên xuất hiện. Những loại kháng thể khác nhau này là xác định, tồn tại với số lượng không đếm được, có thể một vài triệu, ở đây mỗi một loại có một vị trí kết hợp duy nhất đặc trưng. Khả năng lớn không thể tưởng tượng được của hệ thống miễn dịch đã làm cho protein lạ, protein của tác nhân gây bệnh trở thành vô hại. Những kháng thể này được gọi là globulin miễn dịch. Chúng chiếm khoảng 20% protein tổng số trong máu.

Globulin miễn dịch Ig được chia làm 5 nhóm khác nhau. Tuy nhiên thành viên cơ bản Ig các nhóm đều có dạng chữ Y. Cấu trúc này gồm 2 sợi.

Cơ chế mà kháng thể nhận biết vị trí kháng nguyên của protein lạ là đặc biệt thú vị. Sự kết hợp giữa kháng thể và kháng nguyên là thuận nghịch và có thể so sánh với sự kết hợp giữa enzyme và cơ chất.

Liên kết này không phải đồng hoá trị mà là những liên kết hydro và liên kết ion. Điều đó làm rõ rằng trình tự aminoacid của vị trí kết hợp xác định tính đặc hiệu của liên kết. Từ đó rút ra rằng chuỗi polypeptide ngắn hay dài của kháng thể là một đoạn siêu biến có từ 20-30 gốc aminoacid, người ta cho rằng, trong vùng siêu biến nàychứa vị trí liên kết đặc hiệu đối với kháng thể. Chỗ kết hợp thực sự chỉ gồm 5-10 aminoacid. Vị trí kết hợp rất chọn lọc đối với kháng nguyên.

Ví dụ protein vận chuyển là albumin và hemoglobin trong máu, myoglobin trong mô cơ và leghemoglobin ở trong màng của Rhizobium. Albumin vận chuyển acid béo. Hemoglobin, myoglobin, leghemoglobin có khả năng kết hợp lỏng lẽo với O2 ở heme của chúng. Chúng giống nhau ở chỗ đều là phương tiện vận chuyển O2. Sự kết hợp này chỉ xảy ra ở dạng Fe khử (Fe2+), nghĩa là kết hợp với heme. Hemoglobin vận chuyển O2 từ phổi qua máu đến những cơ quan và mô rất khác nhau. Leghemoglobin điều khiển sự cung cấp O2 cho chuỗi enzyme hô hấp của vi khuẩn. Myoglobin vận chuyển O2 trong mô cơ, có nhiều trong mô cơ của người lặn và là chất dự trữ O2. Trong khi lặn (khi dừng thở) thì O2 được kết hợp với myoglobin, được giải phóng ra ở ty thể. Fe2+ của heme có thể kết hợp với CN- và CO làm cho vị trí hấp thụ O2 bị đóng lại, hậu quả là O2 không được vận chuyển, dẫn đến chết ngạt. Nồng độ tương đối cao CO trong không khí cũng như sự đốt cháy không hoàn toàn trong động cơ, và khi hút thuốc lá, cản trở sự vận chuyển O2 trong máu. Người ta gọi là "hút bị động", là nguyên nhân gây hại đến sức khoẻ

Ví dụ về chức năng hormone của protein là insulin, gồm 1 chuỗi A với 21 aminoacid và 1 chuỗi B với 30 aminoacid, hai chuỗi này được nối với nhau qua hai cầu disulfide. Insulin điều khiển nồng độ đường glucose trong máu. Khi không đủ insulin thì sự tiếp nhận đường trong tế bào bị hạn chế. Vì vậy mức đường trong máu tăng và dẫn đến sự thải đường mạnh mẽ qua nước tiểu (bệnh đái đường). Vì vậy những tế bào này thiếu đường làm cho toàn bộ cơ thể suy yếu.

Câu 3: Cấu tạo của enzyme? Tính đặc hiệu của enzyme?

*Cấu tạo của Enzyme:

- Enzyme là những chất xúc tác có bản chất protein.

Trong sự phát triển của hóa sinh học, bước nhảy vọt đã đạt được khi người ta thực hiện thành công việc tách rút các chất xúc tác sinh học ra khỏi tế bào và nghiên cứu tính chất của chúng, lúc đó người ta nhận biết rằng enzyme có bản chất protein. Năm 1926, Sumner là người đầu tiên thu được urease ở dạng kết tinh. Cho đến nay đã có khoảng hơn 150 enzyme được rút ra ở dạng tinh khiết. Trong số các enzyme đó, một số đã được biết trọn vẹn về cấu trúc bậc I như ribonuclease, trypsin, chymotrypsin, ...

Ngày nay người ta xác nhận rằng, các enzyme chính là nhóm protein quan trọng. Chúng được hình thành trong tế bào như các protein đơn giản (enzyme một thành phần) hoặc như các protein phức tạp (enzyme hai thành phần). Trong số các enzyme thì đa số là enzyme hai thành phần.

Dạng hoạt động của enzyme hai thành phần bao gồm phần protein và phần không có bản chất protein gọi là nhóm prostetic (nhóm ngoại, nhóm ghép, ...)

Enzyme một thành phần là các protein đơn giản thực hiện chức năng xúc tác. Ví dụ: Ribonuclease A và một số enzyme thủy phân protein và một số enzyme khác.

- Các nhóm ghép, các coenzyme.

Bên cạnh phần protein thì enzyme hai thành phần còn chứa phần không có bản chất protein. Người ta gọi phần không phải protein cần thiết bắt buộc đối với hoạt động của enzyme là nhóm ghép (nhóm ngoại, nhóm thêm, yếu tố phụ, ...) và phần protein vốn liên kết với nhóm đó là apoenzyme, phức hợp của hai thành phần trên là holoenzyme (enzyme hai thành phần).

Trong trường hợp nhóm ghép là những chất hữu cơ có trọng lượng phân tử bé được liên kết với phần protein thì nhóm ghép được gọi là coenzyme. Theo cách đó thì:

Nếu đứng riêng rẽ thì cả coenzyme cũng như apoenzyme đều không có khả năng xúc tác. Chỉ có lúc nào 2 phần này kết hợp với nhau thì hoạt tính xúc tác của enzyme mới thể hiện.

Bản chất hóa học của coenzyme rất khác nhau:

- Một số loại này chính là các vitamin.

- Các ion kim loại có vai trò cần thiết bắt buộc cho sự hoạt động của enzyme. Các ion (cation) có chức năng giống với các coenzyme.

Người ta gọi các ion kim loại đó là các coenzyme đơn giản. Các enzyme cần ion kim loại cho việc thực hiện chức năng của mình được gọi là metalloenzyme. Chức năng của các ion kim loại nói chung phần nhiều là chúng tạo ra các phức hợp kiểu chelate giữa một nhóm nhất định nào đó của cơ chất và enzyme. Trước tiên các cation tạo phức "ion kim loại - cơ chất", sau đó phức hợp này mới phản ứng với enzyme. Các ion Ca, Cu, Mg, Mn, Mo, Zn, ... đều là những ion tham gia trong sự hoạt động của các enzyme.

*Tính đặc hiệu của enzyme:

Khả năng xúc tác với tính đặc hiệu cao là một trong những đặc tính cơ bản và quan trọng nhất của enzyme. Tính đặc hiệu của enzyme thể hiện ở chỗ: enzyme chỉ xúc tác cho một trong vô số những chuyển hóa có thể có được đối với các chất. Có hai loại đặc hiệu cơ bản đó là đặc hiệu phản ứng và đặc hiệu cơ chất.

- Tính đặc hiệu phản ứng: được thể hiện ở chỗ enzyme chỉ có khả năng lựa chọn một dạng phản ứng trong số các phản ứng và xúc tác cho phản ứng đó. Điều đó thấy rõ trong ví dụ sau đây:

Dưới tác dụng của oxidase, aminoacid bị khử amine hóa bằng cách oxy hóa để tạo ra cetoacid và NH3. Với sự có mặt của oxidase, một phản ứng khác khử carboxyl hóa lại không thể xảy ra. Việc xúc tác này đòi hỏi phải có enzyme khác, đó là decarboxylase. Cũng như vậy, phản ứng chuyển amine hóa đòi hỏi phải có transaminase.

- Tính đặc hiệu cơ chất: Enzyme có thể lựa chọn đối với các chất tham gia phản ứng. Không phải mọi cơ chất có khả năng phản ứng đều được enzyme "tiếp nhận" như nhau.

Mỗi enzyme chỉ chuyên xúc tác cho một hoặc một vài cơ chất nhất định và mức độ đặc hiệu của nó tùy thuộc vào từng loại enzyme. Có 3 mức độ đặc hiệu cơ chất chủ yếu:

a) Đặc hiệu tương đối: Enzyme chỉ có thể tác dụng lên một kiểu liên kết hóa học nhất định mà không phụ thuộc vào các nhóm hóa học nằm ở hai bên liên kết. Ví dụ các esterase có thể tác dụng lên hàng loạt các ester của phosphoric acid. R1 - C - COOH + NH3 H2O oxidase O Cetoacid(1) 2H R1 - CH - COOH decarboxylase R1 - CH2 + CO2 NH2 NH2 Amine Aminoacid(1) Transaminase R2 - CH - COOH NH2 Aminoacid(2) R2 - C - COOH R1 - C - COOH O O Cetoacid(2) Cetoacid(1)

b) Đặc hiệu nhóm: biểu hiện là enzyme chỉ có thể tác dụng lên một kiểu liên kết hóa học nhất định và một trong hai nhóm nằm ở hai bên liên kết cũng phải có cấu tạo nhất định. Ví dụ carboxylpeptidase có khả năng phân hủy liên kết peptide gần nhóm -COOH tự do, nghĩa là liên kết peptide ở cuối mạch polypeptide, ...

c) Đặc hiệu tuyệt đối: Enzyme chỉ tác dụng lên một kiểu liên kết nhất định và các nhóm hóa học ở hai bên liên kết cũng phải xác định.

Ví dụ: Enzyme trypsine thủy phân các liên kết peptide giữa lysine hoặc arginine với bất cứ aminoacid nào. Sản phẩm là những đoạn peptide có lysine hoặc arginine chứa nhóm COOH tự do ở phía tận cùng của peptide.

- Enzyme Trombine còn có tính đặc hiệu cao hơn trypsine: nó chỉ thủy phân liên kết peptide ở phía carboxyl của gốc arginine nào có gốc glycine đứng liền kề sau nó:

- Ngoài các tính đặc hiệu trên nhiều enzyme còn biểu hiện rất cao về tính đặc hiệu hóa học lập thể (Đặc hiệu quang học): Enzyme chỉ tác dụng lên những dạng đồng phân lập thể nào đó của các chất hữu cơ.

Ví dụ: Enzyme L-lactatdehydrogenase chỉ tác dụng lên L-lactic acid mà không tác dụng lên D-Lactic acid. Muốn tác dụng lên D-Lactic acid phải có enzyme D-lactatdehydrogenase. .. CH - CONH - CH - COOH .. .. CH - COOH .. + H2N - CH - COOH R1 R2 R1 R2O O C - NH - CH - C R Vị trí thủy phân của trypsine Lysine hay Arginine O O C - NH - CH - C Vị trí thủy phân của trombine Arginine Glycine.

Câu 4 : Cơ chế tác dụng của enzyme? Các yếu tố ảnh hưởng đến họat lực xúc tác của enzyme?

• Cơ chế tác dụng của E :

Khi đặt vấn đề nghiên cứu về cơ chế xúc tác của enzyme người ta xuất phát từ giả thiết cho rằng trong các phản ứng được enzyme xúc tác, phức tạm thời "Enzyme - Cơ chất" được tạo thành. Quá trình này gồm 3 giai đoạn:

Ở giai đoạn 1 phản ứng xảy ra tương đối nhanh cơ chất (S) được liên kết với enzyme (E) nhờ các liên kết yếu. Lúc này sự liên kết không gian giữa các phân tử cơ chất và enzyme chưa đủ hiệu quả đối với sự xúc tác của enzyme.

Ở giai đoạn tiếp theo xảy ra sự biến đổi của cơ chất (S) có liên quan tới việc phá vỡ hay hình thành các liên kết cộng hóa trị. Ở giai đoạn này, cơ chất được hoạt hóa (một hoặc vài phức chất ES chuyển tiếp được hoạt hóa). Ở đây, cấu trúc bậc 3 của enzyme luôn biến đổi tạo khả năng tiếp xúc giữa các nhóm hoạt động của enzyme với cơ chất đang biến đổi.

Enzyme đã làm biến đổi phần tử cơ chất làm cho các liên kết bên trong phân tử trở nên "lỏng lẻo" hơn, do đó chỉ cần một lượng năng lượng nhỏ cũng đủ làm cho cơ chất biến thành các sản phẩm (P) khác nhau.

Người ta đã chứng minh rằng trong khi hình thành phức chất ES có 2 quá trình đồng thời xảy ra nhanh chóng đó là:

a) Sự thay đổi mật độ điện tử gây nên sự phân cực hóa các liên kết.

b) Sự biến dạng về mặt hóa học của các liên kết "kéo căng" trong phân tử cơ chất.

Cả hai yếu tố này (sự biến hình và sự phân cực hóa các liên kết đồng hóa trị) đều làm tăng thế năng nhiệt động học của các liên kết này, nghĩa là xúc tiến việc vượt qua "hàng rào" năng lượng hoạt hóa của quá trình chuyển tiếp phức "Enzyme-Cơ chất".

• Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt lực xúc tác của E :

- Nhiệt độ

Trong phạm vi lý học, tốc độ của phản ứng tăng lên cùng với sự tăng của nhiệt độ. Nhưng khi vượt quá phạm vi nào đó, các phản ứng được enzyme xúc tác bị ảnh hưởng do sự biến tính của phân tử protein-enzyme. Kết quả này phụ thuộc vào nhiệt độ tối thích của enzyme, là nhiệt độ mà tại đó tốc độ phản ứng enzyme đạt cực đại.

Mỗi enzyme có nhiệt độ tối thích khác nhau. Sự khác nhau này tùy thuộc vào nguồn gốc của các enzyme, tùy theo từng điều kiện hoặc từng sự khác nhau về tính nhạy cảm với nhiệt độ của phân tử protein-enzyme.

Đa số enzyme mất hoạt tính xúc tác ở nhiệt độ cao(>80oC), trừ papain, myokinase có thể tồn tại ở 100oC.

- Ảnh hưởng của pH

Mỗi enzyme đều có trị số pH tối thích nào đó đối với hoạt tính của chúng. Ở ngoài phạm vi của trị số này hoạt tính của enzyme đều bị giảm thấp.

Trị số pH tối thích của một số enzyme như sau:

Enzyme pH tối thích

Pepsine

Amylase(mạch nha)

Amylase(nước bọt)

Trypsine

Arginase

Catalase

Peroxidase 1,5 - 2,5

4,6 - 5,0

6,8 - 7,2

7,8 - 9,5

9,8

6,8 - 7,0

6,0

Hoạt tính Nhiệt độ tối thích 20 30 40 50 60 70 80 toC

Những nguyên nhân sau đây có thể dẫn tới sự phụ thuộc vào pH của enzyme:

a) Nếu trong số các nhóm bên tham gia trực tiếp trong sự hoạt động của enzyme chứa nhóm có khả năng phân ly.

b) pH đã ảnh hưởng tới các nhóm phân ly khác của protein-enzyme vốn có tác dụng trong việc duy trì cấu hình có hoạt tính của enzyme.

c) Sự thay đổi pH của môi trường có thể ảnh hưởng tới các nhóm phân ly của cơ chất hay của coenzyme vốn được kết hợp với enzyme.

- Ảnh hưởng của chất hoạt hóa và chất kìm hãm enzyme

Những chất nào có khả năng làm tăng hoạt tính xúc tác của enzyme thì được gọi là chất hoạt hóa enzyme. Các chất đó thường là các ion kim loại như: K+, Na+, Mg+2, Ca+2, Co+2, Zn+2, Mn+2, ...

Ví dụ: Mg+2 làm tăng hoạt tính phosphatase

Ca+2 làm tăng hoạt tính lypase.

Sự hoạt động của các enzyme đều có thể bị kìm hãm bởi các tác động gây biến tính protein. Người ta phân biệt các hình thức kìm hãm enzyme và phân biệt các chất kìm hãm enzyme như sau:

a) Chất kìm hãm chung: các chất này kìm hãm hoạt tính xúc tác của tất cả các enzyme. Các chất này là các muối kim loại nặng;chất tannin.

b) Chất kìm hãm riêng: có tác dụng kìm hãm một hay một nhóm enzyme có cấu tạo gần giống nhau. Ví dụ: các chất chứa nhóm - CN kìm hãm enzyme hô hấp.

- Nồng độ cơ chất và nồng độ enzyme

Khi môi trường có đầy đủ cơ chất thì tốc độ phản ứng tỷ lệ thuận với lượng enzyme. Khi nồng độ cơ chất thấp, không đủ để lôi kéo tất cả lượng enzyme vào phản ứng thì tốc độ phản ứng tăng tỷ lệ thuận với nồng độ cơ chất.Tốc độ phản ứng đạt tối đa khi tất cả enzyme đều kết hợp vào cơ chất.

Câu 5 : Quá trình quang hợp?

Cây xanh có thể hấp thụ CO2, khử nó thành saccharide. Đây là quá trình cần có sự tham gia của ánh sáng và diệp lục . Ta có thể khái quát quá trình quang hợp bằng phản ứng sau:

ánh sáng

6 CO2 + 6 H2O  C6H12O6 + 6 O2

Chlorophyll

Quá trình quang hợp gồm hai giai đoạn và có chức năng riêng:

Giai đoạn 1: Xảy ra quá trình quang phân ly nước đồng thời giải phóng oxy phân tử:

2H2O  4 H+ +O2

ánh sáng

Cùng chlorophill và hệ thống chuyền điện tử, ATP sẽ được tổng hợp từ ADP và H3PO4. Vì vậy người ta còn gọi quá trình này là sự phosphoryl hóa quang hợp hay quang phosphoryl hóa.

Theo Arnon, hình như điện tử bị tách ra khỏi clorophyll a khi được kích họat bởi photon nó sẽ đi theo hai con đường khác nhau:

Con đường quang phosphoryl hóa vòng xảy ra ở hệ quang hóa I, điện tử xuất phát từ P700 qua hệ thống chuyền điện tử rồi trở lại P700. Con đường này chỉ cho phép tổng hợp ATP.

Con đường quang phosphoryl hóa không vòng xảy ra khi có sự tham gia của hệ quang hoá I và II, Con đường này cho phép tổng hợp ATP và NADPH2.

Khi mất điện tử, chlorophyll của hệ I tiếp tục nhận điện tử ở hệ II qua các khâu chuyền trung gian . Điện tử của phân tử sắc tố hệ II được bổ sung từ H2O. Như vậy con đường đi của điện tử trong quá trình này không khép kín và được gọi là quá trình quang phosphoryl hóa không vòng

Giai đoạn 2: khử CO2 thành saccharide nhờ NADPH và ATP được tổng hợp ở giai đoạn 1. Tùy theo cơ chế, người ta phân biệt:

Chu trình Calvin ( chu trình C3):

Chu trình cố định CO2 này do M. Calvin và cộng sự tìm ra năm 1951 và được gọi là chu trình Calvin hay chu trình C3.

Đầu tiên phân tử CO2 kết hợp với ribulose 1,5 biphosphate để tạo 2 phân tử 3-phosphoglycerate. Hai phân tử 3-phosphoglycerate được phosphoryl hóa nhờ enzyme 3-phosphoglycerate kinase xúc tác tạo thành 1,3-biphosphoglycerat. Chất này bị khử dưới tác dụng của glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase để chuyển thành glyceraldehyde 3-phosphate

Sự kết hợp CO2 vào ribulose1,5-biphosphate

Nhờ tác dụng đồng phân hóa của triose phosphate isomerase: glyceraldehyde 3-phosphate tạo thành dihydroxyacetone phosphate.

Sau đó có sự kết hợp giữa 2 phân tử glyceraldehyde 3- phosphate và dihydroxyacetone phosphate bằng phản ứng chuyền aldose để tạo thành fructose 1,6 bi phosphate.

Fructose 1, 6 biphosphate mất di 1 phosphate tạo thành fructose 6 phosphate, nó chính là nguyên liệu để tạo thành các hexose khác như glucose 6 phosphate. Từ các dạng đường này tổng hợp các oligosaccharide polysaccharide khác .

Một phần fructose 6 phosphate chuyển hóa thành ribulose 1,5-biphosphate, đồng thời khép kín chu trình

Chu trình C3 là chu trình cơ bản nhất của thế giới thực vật xảy ra trong tất cả thực vật, dù là thực vật bậc cao hay bậc thấp, dù thực vật C3, C4 hay thực vật CAM.

Chu trình Hatch-Slack (chu trình C4) :

Năm 1966, hai nhà khoa học là Hatch và Slack nghiên cứu và phát hiện ra ngoài chu trình Calvin, một số thực vật nhiệt đới như lúa miến, ngô, mía, cỏ gà... có quá trình đồng hoá CO2 theo con đường khác. Ở thực vật này sản phẩm quang hợp đầu tiên của quang hợp là oxalo acetic acid, một phân tử có 4 carbon, chứ không phải là 3-phosphoglycerate . Chu trình cố định CO2 như vậy gọi là chu trình C4 hay chu trình Hatch-Slack và các thực vật cố định CO2 theo con đường này gọi là thực vật C4.

Có sự chuyên hoá trong việc thực hiện chức năng quang hợp của cây C4: một loại lục lạp chuyên trách cố định CO2 với hiệu quả cao nhất, còn một loại lục lạp chuyên khử CO2 thành các chất hữu cơ cho cây. Vì vậy mà hoạt động quang hợp của cây C4 có hiệu quả hơn các nhóm thực vật khác. Kết quả là năng suất sinh học của cây C4 thường rất cao.

Chu trình Hatch-Slack

Con đường cố định CO2 ở thực vật CAM(Crassulaceae Acidetabolism)

Đây là con đường quang hợp thích nghi với điều kiện khô hạn của thực vật mọng nước. Nhờ con đường quang hợp này mà khả năng chịu hạn của chúng rất cao, hơn hẳn các thực vật chịu hạn khác.Do quang hợp trong điều kiện quá khó khăn nên cường độ quang hợp của các thực vật nhóm này thường thấp, năng suất sinh học không cao và sinh trưởng chậm hơn các thực vật khác.

Quá trình cố định CO2: quá trình cố định CO2 được thực hiện vào ban đêm. Ban đêm khi nhiệt độ không khí giảm xuống thì khí khổng mở ra để thoát hơi nước và CO2 sẽ xâm nhập vào lá qua khí khổng mở.

Quá trình tổng hợp monosaccharide (quá trình khử CO2): quá trình này diễn ra vào ban ngày khi có ánh sáng hoạt hoá hệ thống quang hoá và khí khổng đóng lại.

Malic acid bị khử carboxyl hoá để giải phóng CO2 cung cấp cho chu trình C3.

Câu 6: Cấu tạo của ADN? Quá trình tái bản ADN?

*) Cấu tạo của DNA ( Desoxyribonucleic acid)

Phân tử DNA là một chuỗi xoắn kép gồm hai chuỗi đơn. Mỗi chuỗi đơn là một chuỗi nucleotide. Mỗi nucleotide gồm ba thành phần: nhóm phosphate, đường desoxyribose và một trong bốn base và thường được ký hiệu bằng chữ cái đầu tiên của các base đó (A-adenine, C- cytosine, G-guanine và T- thymine). Hai chuỗi đơn kết hợp với nhau nhờ các liên kết hydrogen hình thành giữa các base bổ sung nằm trên hai chuỗi: A bổ sung cho T và C bổ sung cho G. Mỗi chuỗi đơn có một trình tự định hướng với một đầu 5'phosphate tự do, đầu kia là 3' hydroxyl tự do (quy ước là 5' → 3'. Hướng của hai chuỗi đơn trong chuỗi xoắn kép ngược nhau, nên được gọi là hai chuỗi đối song. Những phân tích cấu trúc hiện đại đã cho thấy cấu trúc của DNA không phải luôn luôn tương ứng với dạng được gọi là B mà Watson và Crick đã đưa ra. Do sự tác động của các hợp chất có trọng lượng nhỏ hoặc protein dạng B có thể chuyển sang dạng A (nén nhiều hơn) hoặc là dạng Z (xoắn trái). Chúng có thể tự gấp lại (DNA) hoặc xoắn mạnh, ví dụ một chuỗi kép DNA có độ dài là 20 cm được nén trong một chromosome có kích thước là 5 μm.

Chuỗi xoắn kép của DNA

Phân tử DNA trong nhiễm sắc thể của sinh vật eukaryote ở dạng thẳng, còn ở phần lớn tế bào prokaryote (vi khuẩn) phân tử DNA có dạng vòng. Dù ở dạng nào thì các phân tử DNA đều tồn tại dưới dạng cuộn chặt. Trong tế bào eukaryote, DNA kết hợp chặt chẽ với các protein là histone.

Cấu trúc của các nucleotide điển hình.

DNA của eukaryote có kích thước rất lớn (ví dụ DNA ở người có thể dài đến 1 m) nên câu hỏi đặt ra là phân tử này phải được nén như thế nào vào thể tích rất hạn chế của nhân. Việc nén được thực hiện ở nhiều mức độ, mức độ thấp nhất là nucleosome và mức độ cao nhất là cấu trúc nhiễm sắc chất. Thật vậy, đường kính của chuỗi xoắn DNA chỉ là 20o, trong khi sợi nhiễm sắc chất quan sát dưới kính hiển vi điện tử có đường kính 100oA, đôi khi đạt 300o. Điều này chứng tỏ phân tử DNA tham gia hình thành những cấu trúc phức tạp hơn (Hình 4.10). Sợi có đường kính 100o là một chuỗi nhiều nucleosome. Đó là những cấu trúc hình thành từ một AAA

chuỗi DNA quấn quanh một lõi gồm 8 phân tử histon. Sợi 100A0 này được tổ chức thành cấu trúc phức tạp hơn là sợi có đường kính 300o. Trong nhân tế bào, các sợi vừa kể trên kết hợp chặt chẽ với nhiều protein khác nhau và cả với các RNA tạo hành nhiễm sắc chất, mức độ tổ chức cao nhất của DNA.

Phân tử DNA được sắp xếp trên nhiễm sắc thể làm cho chiều dài ngắn lại hơn 50.000 lần.

Các DNA ở eukaryote có đặc điểm khác với DNA prokaryote. Toàn bộ phân tử DNA prokaryote đều mang thông tin mã hóa cho các protein trong khi đó DNA eukaryote bao gồm những trình tự mã hoá (các exon) xen kẽ với những trình tự không mã hoá (intron). Các trình tự mã hoá ở eukaryote chìm ngập trong một khối lớn DNA mà cho đến nay vẫn chưa rõ tác dụng. Tùy theo mức độ hiện diện của chúng trong nhân, các trình tự DNA được chia làm ba loại:

- Các trình tự lặp lại nhiều lần. Ví dụ: ở động vật có vú các trình tự này chiếm 10-15% genome (hệ gen). Đó là những trình tự DNA ngắn (10-200 kb), không mã hoá, thường tập trung ở những vùng chuyên biệt trên nhiễm sắc thể như ở vùng tâm động (trình tự CEN) hay ở đầu các nhiễm sắc thể (trình tự TEL). Chức năng của các trình tự này chưa rõ, có thể chúng tham gia vào quá trình di chuyển DNA trên thoi vô sắc (trình tự CEN) hoặc vào quá trình sao chép toàn vẹn của phần DNA nằm ở đầu mút nhiễm sắc thể (trình tự TEL).

- Các trình tự có số lần lặp lại trung bình. Ví dụ: ở genome người các trình tự này chiếm 25-40 %. Chúng đa dạng hơn và có kích thước lớn hơn (100-1.000 kb) các trình tự lặp lại nhiều lần. Các trình tự này phân bố trên toàn bộ bộ gen. Chúng có thể là những trình tự không mã hóa mà cũng có thể là những trình tự mã hóa cho rRNA, tRNA và RNA 5S.

- Các trình tự duy nhất: là các gen mã hóa cho các protein, có trình tự đặc trưng cho từng gen.

Một đặc điểm của phân tử DNA có ý nghĩa rất quan trọng được sử dụng vào phương pháp lai phân tử. Đó là khả năng biến tính và hồi tính. Biến tính là hiện tượng hai sợi đơn của phân tử DNA tách rời nhau khi các liên kết hydrogen giữa các base bổ sung nằm trên hai sợi bị đứt do các tác nhân hóa học (dung dịch kiềm, formamide, urea) hay do tác nhân vật lý (nhiệt). Sau đó, nếu điều chỉnh nhiệt độ và nồng độ muối thích hợp, các sợi đơn có thể bắt cặp trở lại theo nguyên tắc bổ sung, để hình thành phân tử DNA ban đầu, đó là sự hồi tính.

*) Tái bản DNA:

Quá trình tổng hợp DNA, hay còn gọi là sự tái bản, có ý nghĩa rất quan trọng trong đời sống cơ thể liên quan đến cơ chế di truyền. Đây là một quá trình phức tạp có sự tham gia của nhiều yếu tố và xảy ra nhiều hình thức.

Có thể chia quá trình tái bản DNA thành 3 kiểu

- Tái bản bảo thủ. Là quá trình tổng hợp DNA từ 1 phân tử DNA gốc tạo ra 2 phân tử DNA con, trong đó có 1 phân tử chính là phân tử DNA gốc còn 1 phân tử được tổng hợp mới hoàn toàn.

- Tái bản gián đoạn. Là quá trình tổng hợp DNA từ 1 phân tử DNA gốc tạo ra 2 phân tử DNA con có các đoạn mới tổng hợp và các đoạn cũ của DNA gốc xen kẽ.

Hai hình thức tái bản trên ít phổ biến.

- Tái bản bán bảo thủ. Đây là hình thức tổng hợp DNA từ 1 phân tử DNA gốc tạo ra 2 phân tử DNA con, trong mỗi phân tử DNA con một chuỗi lấy từ DNA gốc và một chuỗi mới tổng hợp. Hình thức này đã được Meselson và Stahl phát hiện năm 1958 bằng thực nghiệm nuôi cấy E.coli. Trước hết E.coli được nuôi cấy trong môi trường chỉ chứa 15N (Nitơ nặng) nên DNA được tổng hợp nên chỉ chứa 15N sẽ tạo nên phân tử DNA có tỷ trọng cao hơn DNA thường. Sau đó chuyển E.coli vào môi trường chứa 14N (Nitơ thường) và theo dõi, phân tích các thế hệ DNA mới được tạo ra bằng phương pháp li tâm phân đoạn với CSCl. Qua kết quả phân tích li tâm cho thấy ở thế hệ thứ nhất 100% phân tử DNA ở dạng lai, một chuỗi chứa 15N và 1 chuỗi chứa 14N. Ở thế hệ thứ 2 có 50% dạng lai và xuất hiện 50% dạng 14N. Điều đó chứng tỏ cơ chế tái bản DNA là dạng bán bảo thủ.

Các yếu tố tham gia tái bản DNA

- DNA khuôn. Để tổng hợp phân tử DNA mới cần có phân tử DNA làm khuôn. DNA vừa làm chức năng khuôn vừa tham gia trong sản phẩm của quá trình tổng hợp.

- Nguyên liệu. Để tổng hợp DNA mới cần có các nguyên liệu. Nguyên liệu là các desoxy Ribonucleotide Triphosphate (dATP, dGTP, dCTP, dTNP) dTMP vừa làm nguyên liệu vừa cung cấp năng lượng cho quá trình tổng hợp DNA mới.

- Enzyme. Tham gia xúc tác quá trình tái bản DNA có nhiều loại enzyme

+ DNA-polymerase,

+ Topoisomerase,

+ Helicase,

+ DNA-ligase.

- Protein. Có nhiều loại protein tham gia vào quá trình tái bản DNA với chức năng hỗ trợ, kích thích ...

+ Protein bám sợi đơn SBS,

+ Protein DnaA,

+ Protein DnaB,

+ Protein DnaG.

Cơ chế tái bản DNA ở procariote

+ Giai đoạn mở đầu

- Protein DnaB làm nhiệm vụ mở xoắn DNA bằng cách phân hủy các liên kết hydrogen giữa 2 chuỗi, tách 2 chuỗi ra tạo nên chạc tái bản.

- Protein SBS đến gắn vào chạc tái bản.

- Primase xúc tác sự tạo RNA mỗi bổ sung vào chuỗi khuôn 3'-5'.

+ Giai đoạn kéo dài

* Tổng hợp chuỗi sớm

- Trên chuỗi khuôn 3'-5' sau khi tạo đoạn RNA mồi, các nucleotide tiếp tục đến gắn vào đầu 3'-OH của chuỗi theo nguyên tắc bổ sung với chuỗi làm khuôn nhờ enzyme DNA-polymerace III xúc tác.

- Chuỗi sớm được tổng hợp liên tục, tháo xoắn đến đâu các nucleotide tự do trong môi trường tế bào tương ứng bổ sung với các nucleotide trên chuỗi khuôn lần lượt đến gắn vào đầu 3'-OH bằng cách tạo liên kết phosphodiester với nucleotide cuối cùng đầu 3'. Đồng thời pirophosphate được tách ra.

* Tổng hợp chuỗi muộn

Trên chuỗi khuôn 3'-5' của DNA khuôn, chiều tháo xoắn và chiều tổng hợp ngược nhau nên quá trình tổng hợp không diễn ra liên tục mà tạo ra các đoạn okazaki ngược chiều với chiều phát triển của chạc tái bản.

Mỗi đoạn okazaki có RNA mồi riêng được tổng hợp nhờ primase. Mồi được tổng hợp bỏ sung với chuỗi khuôn 5'-3' và ngược chiều tháo xoắn. Quá trình tháo xoắn xảy ra được một đoạn khoảng 300 nucleotide mới tổng hợp RNA mồi theo chiều ngược lại.

Xúc tác cho quá trình tổng hợp chuỗi muộn là phức hợp protein có tên là primosom. Primosom di chuyển trên chuỗi khuôn 5'-3' và tiến hành tổng hợp đoạn RNA mồi nhờ primase sau đó tổng hợp tiếp đoạn DNA bổ sung vào chuỗi khuôn nhờ DNA-polymerase tạo nên đoạn Okazaki.

Sau khi đoạn Okazaki hoàn chỉnh, RNA mồi được tách ra nhờ DNA-polymerase I sau đó thay vào vị trí đoạn RNA mồi là đoạn DNA tương ứng. Sau cùng nhờ DNA-ligase nối 2 đoạn Okazaki lại với nhau.

+Giai đoạn kết thúc

Quá trình kéo dài cứ tiếp diễn cho đến khi hết phân tử DNA khuôn. Kết quả từ 1 phân tử DNA khuôn tạo ra 2 phân tử DNA mới, trong mỗi phân tử DNA mới có 1 chuỗi mới được tổng hợp từ các nucleotide trong môi trường, còn một chuỗi là của DNA khuôn.

Tái bản DNA ở Eucariote

Ở Eucariote quá trình tái bản DNA cơ bản giống ở procariote nhưng cũng có một só đặc trưng riêng.

- Trên một phân tử DNA khuôn quá trình tái bản xảy ra đồng thời ở nhiều điểm.

- Vận tốc tái bản chậm hơn ở procariote

+ Ở procariote vận tốc 500 nucleotide/S.

+ Ở Eucariote vận tốc 50 nucleotide/S.

- Một số enzyme khác ở procariote

+ DNA polymerase α,

+ DNA polymerase β,

+ DNA polymerase γ,

+ DNA polymerase δ.

Câu 7: Các loại ARN: cấu tạo, vai trò? Quá trình phiên mã? Các điểm khác biệt chủ yếu trong phiên mã ở tế bào Procaryot và Eucaryot?

*) Các loại RNA: cấu tạo, vai trò

RNA (Ribonucleic acid )

Phân tử RNA có cấu tạo tương tự DNA với ba điểm khác biệt sau:

- Phân tử RNA là chuỗi đơn.

- Đường pentose của phân tử DNA là deoxyribose được thay bằng ribose.

- Thymine, một trong bốn loại base hình thành nên phân tử DNA, được thay thế bằng uracil trong phân tử RNA.

Cấu trúc và chức năng của RNA có sự biến đổi rõ rệt. Về cơ bản RNA chỉ là chất mang thông tin di truyền ở virus, sau đó người ta chứng minh rằng nó không những đóng vai trò cơ bản ở việc chuyển thông tin di truyền mà còn có vai trò cấu trúc khi tạo nên phức hệ RNA-protein.

Theo một lý thuyết tiến hóa mà đại diện là Manfred Eigen, RNA là chất mang thông tin di truyền, thành viên trung gian của sự biểu hiện gen, thành phần cấu tạo và là chất xúc tác. Nhóm OH rượu ở vị trí thứ hai của ribose cần thiết cho đa chức năng làm nhiễu loạn sự tạo thành chuỗi kép, qua đó làm tăng độ không bền vững của liên kết photphodieste.

Trong tế bào có ba loại RNA chính, có các chức năng khác nhau:

- Các RNA thông tin (mRNA)

mRNA là bản sao của những trình tự nhất định trên phân tử DNA, có vai trò trung tâm là chuyển thông tin mã hóa trên phân tử DNA đến bộ máy giải mã thành phân tử protein tương ứng. Các RNA có cấu trúc đa dạng, kích thước nhỏ hơn so với DNA vì chỉ chứa thông tin mã hóa cho một hoặc vài protein và chỉ chiếm khoảng 2-5% tổng số RNA trong tế bào.

Quá trình chuyển thông tin được thể hiện như sau:

Phiên mã Dịch mã

DNA RNA Protein

Ở Escherichia coli, kích thước trung bình của một phân tử mRNA khoảng 1,2 kb.

- RNA vận chuyển (tRNA)

tRNA làm nhiệm vụ vận chuyển các amino acid hoạt hóa đến ribosome để tổng hợp protein từ các mRNA tương ứng. Có ít nhất một loại tRNA cho một loại amino acid. tRNA vận chuyển chứa khoảng 75 nucleotide (có trọng lượng khoảng 25 kDa), là phân tử RNA nhỏ nhất. Các tRNA có cấu trúc dạng cỏ ba lá (Hình 7). Cấu trúc này được ổn định nhờ các liên kết bổ sung hiện diện ở nhiều vùng của phân tử tRNA. Hai vị trí không có liên kết bổ sung đóng vai trò đặc biệt quan trọng đối với chức năng của tRNA:

- Trình tự anticodon gồm ba nucleotide.

- Trình tự CCA, có khả năng liên kết cộng hóa trị với một amino acid đặc trưng.

- RNA ribosome (rRNA)

rRNA là thành phần cơ bản của ribosome, vừa đóng vai trò xúc tác và cấu trúc trong sự tổng hợp protein.

Tùy theo hệ số lắng rRNA được chia thành nhiều loại: ở eukaryote có rRNA 28S, 18S, 5,8S và 5S, còn các rRNA ở E. coli có ba loại: 23S, 16S và 5S. rRNA chiếm nhiều nhất trong ba loại RNA (80% tổng số RNA tế bào), tiếp đến là tRNA và mRNA chỉ chiếm 5%.

Ribosome của mọi tế bào đều gồm một tiểu đơn vị nhỏ và một tiểu đơn vị lớn. Mỗi tiểu đơn vị có mang nhiều protein và rRNA có kích thước khác nhau.

Mô hình cấu trúc của một tRNA

- Một số loại RNA khác.

Tế bào sinh vật nhân chuẩn còn chứa một số loại RNA khác, chúng đều có vai trò nhất định trong bộ máy tổng hợp protein như:

+ snRNA (small nuclear) là những phân tử RNA nhỏ tham gia vào việc ghép nối các exon.

+ hn RNA( heterogenous nuclear) là những RNA không đồng nhất ở nhân tế bào.

+ scRNA (small cytoplasmic) là những RNA nhỏ của tế bào chất.

Nhìn chung tất cả RNA trong tế bào đều được tổng hợp nhờ enzyme RNA polymerase. Enzyme này đòi hỏi những thành phần sau đây:

a) Một khuôn mẫu, thường là DNA chuỗi đôi.

b) Tiền chất hoạt hóa: Bốn ribonucleoside triphosphate: ATP, GTP, UTP và CTP.

Sinh tổng hợp RNA giống DNA ở một số điểm, thứ nhất hướng tổng hợp là 5' → 3', thứ hai là cơ chế kéo dài giống nhau: nhóm 3'-OH ở đầu cuối của chuỗi tổng hợp là vị trí gắn kết của nucleoside triphosphate tiếp theo. Thứ ba, sự tổng hợp xảy ra do thủy phân pyrophosphate.

Tuy nhiên, khác với DNA là RNA không đòi hỏi mồi (primer). Ngoài ra RNA polymerase không có hoạt tính nuclease để sửa chữa khi các nucleotide bị gắn nhầm.

Cả ba loại RNA trong tế bào được tổng hợp trong E. coli nhờ một loại RNA polymerase. Ở động vật có vú các RNA khác nhau được tổng hợp bằng các loại RNA polyme khác nhau.

*) Quá trình phiên mã:

- Các yếu tố tham gia tổng hợp RNA

+ Khuôn

Để tổng hợp RNA cần có khuôn. Khuôn có thể là DNA, cũng có thể là RNA.

Ở phần lớn các sinh vật RNA được tổng hợp từ DNA, do DNA làm khuôn. Phân tử DNA làm khuôn chỉ sử dụng 1 đoạn, tương ứng 1 gen để tổng hợp nên 1 phân tử RNA. Như vậy từ 1 phân tử DNA có thể tổng hợp ra nhiều RNA. Đồng thời trên 2 chuỗi của DNA, chỉ sử dụng chuỗi 3'-5' làm khuôn.

+ Nguyên liệu

Cùng như tổng hợp DNA, trong quá trình tổng hợp RNA cần các Ribonucleotide-Triphosphat làm nguyên liệu và nguồn năng lượng.

+ Các enzim và protein

* RNA-polymerase. Có 2 loại RNA-polymerase, một loại xúc tác quá trình tổng hợp RNA từ DNA một loại xúc tác quá trình tổng hợp RNA từ RNA.

Ở procariote RNA-polymerase có cấu tạo phức tạp. Phân tử RNA-polymerase gồm 5 tiểu đơn vị α, β, γ, ω, δ

* Yếu tố Rho (ρ): Rho là một loại protein tham gia vào quá trình kết thúc tổng hợp RNA.

- Cơ chế sao mã

+. Giai đoạn mở đầu

Bước vào giai đoạn mở đầu RNA-polymerase tách yếu tố ρ ra khỏi enzyme.

Lõi enzyme tiến hành mở xoắn DNA.

Yếu tố ρ nhận biết biết chuỗi làm khuôn và điểm mở đầu nhờ các tín hiệu trên promotor.

Hai chuỗi DNA tách ra 1 đoạn 30 nucleotide tạo nên vùng sao mã.

Chuỗi đơn của DNA (chuỗi 3'-5') nhận 1 nucleotide gắn bổ sung vào nucleotide mở đầu trên DNA. Tiếp theo nucleotide thứ 2 đến gắn với nucleotide đầu bằng liên kết phosphodiester và tạo liên kết bổ sung với nucleotide trên chuỗi khuôn. Sau khi liên kết phosphodiester đầu tiên này được tạo ra, yếu tố ρ tách khỏi vùng sao mã và kết thúc giai đoạn mở đầu.

+ Giai đoạn kéo dài chuỗi

Nhờ lõi enzyme các nucleotide trong môi trường đến kéo dài chuỗi theo nguyên tắc bổ sung với các nucleotide trên chuỗi khuôn DNA.

Quá trình kéo dài chuỗi xảy ra rất phức tạp gồm nhiều phản ứng liên hoàn tạo ra sự ổn định của vùng mở xoắn. Quá trình xảy ra theo trình tự sau:

- Tháo xoắn trên DNA khuôn đầu 3' chuỗi khuôn.

- Kéo dài thêm 1 nucleotide trên chuỗi RNA.

- Tháo xoắn kép lai DNA-RNA đầu 5'.

- Đóng xoắn trên DNA khuôn đầu 5'.

Quá trình cứ diễn ra theo chu kỳ nhờ lõi enzyme xúc tác cho đến khi gặp tín hiệu kết thúc.

+ Giai đoạn kết thúc

Có 2 kiểu kết thúc: kết thúc nhờ yếu tố Rho và kết thúc không nhờ yếu tố Rho.

- Kết thúc nhờ yếu tố Rho: trên bề mặt của một số vị trí kết thúc có loại protein Rho. Rho di chuyển trên RNA mới được tổng hợp và đi tới vùng sao mã, ở đó Rho làm nhiệm vụ tách xoắn lai DNA-RNA, giải phóng RNA và kết thúc quá trình sao mã.

- Kết thúc không cần yếu tố Rho: Trên RNA có 1 đoạn có cấu trúc ngược chiều (palindrome) khi sao mã tạo ra vùng palindrome, vùng này sẽ tạo liên kết kép hình thành cấu trúc cái kẹp tóc nên làm ngừng quá trình sao mã.

- Quá trình trưởng thành của RNA

Phân tử RNA được sao từ DNA là proRNA. Từ proRNA phải qua quá trình biến đổi phúc tạp mới tạo RNAm.

+ Gắn mũ vào đầu 5'

ProRNA chưa có mũ nên trước hết cần gắn thêm mũ vào đầu 5' của Pro-RNA. Mũ được tổng hợp sẵn trong nhân. Mũ được gắn vào đầu 5' bằng liên kết anhydric acid với nhóm Triphosphate của ProRNA chứ không gắn vào đầu 3' như quá trình kéo dài chuỗi.

+ Gắn đuôi vào đầu 3'

Cũng như mũ, đuôi của RNAm không mã hóa trong gen mà được tổng hợp riêng trong nhân. ProRNA chưa có đuôi. Đuôi được nối vào với ProRNA ở đầu 3' nhờ polyA-polymerase.

+ Cắt bỏ các đoạn Intron trên proRNA.

Trên Pro-RNA có các đoạn không mã hóa amin acid (Intron I) cho nên để tạo ra RNAm cần cắt bỏ các đoạn I và nối các đoạn mã hóa (Exon-E) lại.

Để tín hiệu di truyền được truyền đạt chính xác, sự cắt nối cần có độ chính xác cao vì chỉ cần cắt sai 1 nucleotide sẽ làm thay đổi toàn bộ các mã di truyền phía sau vị trí cắt.

Giữa các đoạn E và I có các trình tự nucleotide đặc trưng giống nhau ở mọi pro-RNA.

- Đầu 3' của E ở phía trước luôn là AG,

- Đầu 5'của E ở phía sau luôn là G,

- Đầu 5' của I luôn là GU,

- Đầu 3' của I luôn là G.

Trong Intron có một đoạn có vai trò quan trọng trong cơ chế cắt nối của pro-RNA. Đó là vị trí tách nhánh. Qua vị trí này, dưới tác động của enzyme cắt. Các Intron bị cắt bỏ ra và các Intron nối lại với nhau.

Kết quả của quá trình biến đổi trên tạo nên phân tử RNAm trưởng tham gia vào quá trình dịch mã.

Câu 9 : Sự phân giải lipid trung tính (thủy phân và beta-oxi hóa)? Sinh tổng hợp acid béo theo đường hướng malonyl? Sự sinh tổng hợp triacylglycerol theo đường hướng Kennedy?

*)Sự phân giải lipid trung tính :

- Phân giải glycerid

Glycerid dễ dàng bị thủy phân do sự xúc tác của các loại lipase. H2COOCR1 HCOOCR2 + 3H2O+ H2COOCR3lipase  H2COH- HCOH- H2COH + R1COOH + R2COOH + R3COOH

Ở động vật sự thủy phân glycerid xảy ra nhanh chóng nhờ sự tác động của muối acid mật làm nhũ tương hóa glycerid nên dễ bị thủy phân.

- Sự oxi hóa acid béo

Acid béo bị phân giải bằng nhiều con đường:

- α oxi hóa.

- β oxi hóa.

- ω oxi hóa.

Trong đó con đường phổ biến và quan trọng nhất là β.oxi hóa.

+ β.oxi hóa acid béo

Sự phân giải acid béo bằng cách cắt dần từng cặp C, tức là tại vị trí Cα của chuỗi carbon. Các acid béo có mạch carbon chẵn và các acid béo có mạch carbon lẻ có cơ chế β.oxi hóa khác nhau ở giai đoạn cuối. Acid béo no và acid béo không no có sự khác nhau ở giai đoạn sau.

* Đối với acid béo no có mạch C chẵn:

Quá trình β.oxi hóa xảy ra qua nhiều phản ứng phức tạp:

Các enzyme tham gia xúc tác các phản ứng trên là:

1. Acyl-CoA-Synthetase.

2. Acyl-CoA-Dehydrogenase.

3. Enoyl-CoA-Hydratase.

4. Hydroxy-acyl-Thiolase.

Qua một chu kỳ phân cắt, phân tử acid béo ngắn bớt đi 2 carbon, kết quả cuối cùng của các chu kỳ phân cắt β.oxi hóa của acid béo là các phân tử acetyl-CoA . Nếu phân tử acid béo có n nguyên tử C thì sẽ tạo ra n/2 phân tử acetyl-CoA. Các phân tử acetyl-CoA tiếp tục bị phân giải qua chu trình Krebs để tạo CO2 và H2O.

Về mặt năng lượng, quá trình β.oxi hóa tạo nên nguồn năng lượng lớn cung cấp cho các họat động sống của tế bào.

Mỗi lần phân cắt bớt 2C sẽ tạo nên 1 NADH2, 1FADH2, qua chuỗi hô hấp sẽ tổng hợp được 5 ATP. Đồng thời mỗi phân tử Acetyl-CoA bị phân giải thông qua chu trình Krebs sẽ tạo ra được 12ATP. Từ đó người ta tính được tổng số ATP được tạo ra do sự phân giải phân tử acid béo no, mạch cacbon chẵn có n nguyên tử C là:

ATP12.21125⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡−⎟⎠⎞⎜⎝⎛−nn

* Đối với acid béo no có mạch C lẻ

Đối với các acid béo no có mạch C lẻ, quá trình phân giải theo phương thức β.oxi hóa xảy ra giống với acid béo no có mạch carbon chẵn nói ở trên nhưng sau lần phân cắt cuối cùng không phải tạo ra 2 phân tử Acetyl-CoA mà cho ta 1 phân tử Acetyl-CoA và 1 phân tử propionyl-CoA.

Từ propionyl-CoA lại tiếp tục biến đổi thêm một chu kỳ β.oxi hóa nữa để tạo ra 1 phân tử CO2 và 1 phân tử Acetyl-CoA.

Các enzyme xúc tác giống như ở chu trình trước

* Đối với acid béo không no.

Với acid béo không no, quá trình phân giải xảy ra tùy vị trí nối đôi.

- Nếu vị trí nối đôi đúng vào vị trí β thì quá trình xảy ra giống như đối với acid béo no nhưng không xảy ra phản ứng 2.

- Nếu vị trí nối đôi ở vị trí khác thì trước khi phân giải, acid béo không no bị khử để thành acid béo no tương ứng rồi tiếp tục phân giải theo con đường β.oxi hóa.

Acid béo không no  Acid béo no

FADH2 FAD

*) Sinh tổng hợp acid béo theo đường hướng malonyl:

*) Sự sinh tổng hợp triacylglycerol theo đường hướng Kennedy:

Câu 10: Các đường hướng phân giải glucose trong thực vật?

Sự phân giải polysaccharide và disaccharide

Ngoài biện pháp dùng acid để phân giải thì polysaccharide và disaccharide còn có thể bị phân giải bởi sự thủy phân hay bởi quá trình phosphoryl- phân (phosphorolysis).

Sự thủy phân như phân giải tinh bột thành glucose, maltose hay dextrin tùy thuộc vào tính chất của enzyme: α-amylase chỉ cắt liên kết α-D-glucosidic-1,4 có khả năng cắt khoảng giữa, β-amylase cũng chỉ cắt liên kết 1,4 nhưng có khả năng cắt bắt đầu từ đầu không khử,γ -amylase đặc biệt được tổng hợp từ vi sinh vật có khả năng cắt liên kết 1,4 và enzyme loại trừ (khử) sự phân nhánh (debranching enzyme, có họat tính glucosidase) cắt dây nối 1,6 trong amylopectin và glycogen. Các polysaccharide bị thủy phân bởi cac enzyme tương ứng khác như cellulose là cellulase, pectin là pectinase,...

Với các disaccharide sẽ bị phân giải thành các monose nhờ các enzyme tương ứng như sucrose bởi sucrase để tạo thành glucose và fructose, maltose bởi maltase để tạo thành 2 phân tử glucose...

Quá trình phosphoryl- phân (phosphorolysis) là quá trình tạo glucose-1-P nhờ enzyme phosphorylase (glycogen phosphorylase hay phosphorylase tinh bột) với sự hiện diên của ion phosphate. Phosphoryl- phân khác với sự thủy phân liên kết glucosidic là năng lượng giải phóng được dùng cho sự tạo liên kết ester trong glucose-1-P (Hình 9.1.)

Enzyme phosphorylase có coenzyme: Pyridoxal phosphate, nhóm phosphate tấn công như chất xúc tác acid, tấn công liên kết glucosidic bằng Pi . Phosphorylase tấn công vào đầu không khử của glycogen (hay amylopectin) đến khi cách chổ phân nhánh 4 đơn vị glucose thì ngừng lại. Chúng sẽ họat động trở lại sau khi enzyme loại trừ (khử) sự phân nhánh (debranching enzyme) thực hiện chức năng transferase và glucosidase. (Hình 9.2.)

Các disaccharide cũng có thể bị phosphoryl-phân (phosphorolysis) bởi enzyme tương ứng để tạo ra một dẫn xuất phosphate của monose đồng thời giải phóng monose thứ hai. Ví dụ maltose phosphorylase chuyển hoá maltose thành glucose-1-P và glucose.

Sự oxy hoá monosaccharide

Dưới tác động của hệ thống nhiều enzyme khác nhau có trong ty thể, các monosaccharide bị oxy hóa để tạo ra CO2, H2O, các hợp chất cao năng và các sinh chất trung gian khác cần cho các quá trình hóa sinh xảy ra trong cơ thể. Sản phẩm tạo thành phụ thuộc vào điều kiện môi trường:

Quá trình phân giải kỵ khí( glycolysis)

Quá trình này còn được gọi là quá trình Embden-Meyerhof-Parnas, đây là quá trình chuyển hóa hexose thành pyruvate trong điều kiện không có oxy, có thể khái quát sự chuyển hóa qua hai giai đọan gồm nhiều phản ứng trên hình 9.3.

Phản ứng 1: Glucose được phosphoryl hóa ở C6 để cho sản phẩm glucose-6-P, nguồn phosphate là ATP.

Trong điều kiện tế bào đây là phản ứng một chiều, được xúc tác bởi enzyme hexokinase. Kinase là tên chung được dùng cho các enzyme xúc tác chuyển gốc phosphate từ ATP cho các chất nhận, lớp phụ của transferase . Hexokinase không những xúc tác sự phosphoryl hóa glucose mà còn xúc tác sự phosphoryl hóa các hexose khác như fructose, manose. Hexokinase, cũng như các kinase khác cần Mg2+ cho hoạt tính của nó vì cơ chất thật của enzyme không phải là ATP4- mà là ATP2-

Hexokinase phổ biến ở tất cả các loại tế bào. Tế bào gan trưởng thành có chứa hexokinase gọi là hexokinase D hay glucokinase đặc hiệu cho glucose, khác với các dạng khác về động học và tính chất điều hòa.

Phản ứng 2: Chuyển hóa glucose-6-P thành fructose-6-P

Enzyme phosphohexose isomerase xúc tác sự chuyển hóa đồng phân glucose-6-P thành fructose-6-P, biến một aldose thành một ketose.

Phản ứng 3: Phosphoryl hóa fructose-6-P thành fructose1,6 biphosphate

Trong điều kiện của tế bào phản ứng do PFK-1 xúc tác là phản ứng một chiều.

Ở vi sinh vật, sinh vật đơn bào(protista) và hầu hết hay tất cả thực vật đều có phosphofructokinase dùng P~P, không dùng ATP làm nguồn cung cấp phosphate để tạo fructose1,6 biphosphate

Mg2+

Fructose-6-P + PPi  Fructose1,6 biphosphate + Pi

Phản ứng 4: Phân cắt Fructose 1,6 biphosphate

Fructose1,6 biphosphate bị phân cắt thành triose phosphate :3-phosphate glyceraldehyde và dihydroxy acetonphosphate.

Aldolase của mô động vật có xương không cần cation hóa trị 2, nhưng nhiều aldolase của vi sinh vật cần Zn2+ cho họat động của chúng.

Glycogen, tinh bột, disaccharide, hexose đi vào pha chuẩn bị (preparatory phase) được thể hiện rõ ở

Phản ứng 5: Chuyển hóa nội phân tử triose phosphate

Chỉ một trong hai triose phosphate là aldose: 3-P glyceraldehyde tham gia tiếp vào quá trình đường phân. Nhưng dihydroxyaceton-P có thể được chuyển hóa thành 3-P glyceraldehyde nhờ triose phosphate isomerase.

Phản ứng 6: Oxy hóa 3-P glyceraldehyde thành 1,3 biphosphoglycerate

Xúc tác cho phản ứng này là enzyme 3-P glyceraldehyde dehydrogenase, có coenzyme NAD+, trong trung tâm hoạt động có nhóm -SH

Cơ chế phản ứng đã được nghiên cứu đầy đủ:

153 Sau khi tạo phức hợp E-S và NADH+H+, là phức không bền nên khi có mặt phosphate vô cơ nó sẽ tạo thành 1,3 biphosphoglycerate và giải phóng enzyme ở trạng thái tự do.

Phản ứng 7: Trong phản ứng này gốc phosphate cao năng của 1,3 biphosphoglycerate chuyển cho ADP để tạo ATP ( oxy hóa phosphoryl hóa mức cơ chất) và 3P glycerate

Phản ứng 8: Chuyển hóa 3P glycerate thành 2P glycerate (chuyển gốc P nội phân tử) nhờ enzyme phosphoglycerate mutase cần Mg2+ cho hoạt động của nó. Đây là phản ứng thuận nghịch:

Cơ chế:

Phản ứng 9: 2P glycerate bị loại nước để tạo thành phosphoenolpyruvate, là phản ứng thuận nghịch được xúc tác bởi enzyme enolase.

Phản ứng 10: Chuyển nhóm phosphate từ phosphoenolpyruvate đến ADP, phản ứng được xúc tác bởi pyruvat kinase, để tạo ATP và pyruvate.

Pyruvat kinase bị kìm hãm bởi ATP, khi nồng độ ATP cao thì nó gây kìm hãm dị không gian. Ở động vật có xương sống pyruvat kinase có ít nhất 3 isozyme, hơi khác nhau trong phân bố ở các mô và trong việc đáp ứng đối với những chất điều hòa (modulator) .

156 Từ pyruvate, tuỳ thuộc mỗi cơ thể, điều kiện môi trường có thể chuyển hóa thành các sản phẩm khác nhau

Từ pyruvate có thể có 3 khả năng phân giải như trên, ngoài ra nó còn là nguồn để tổng hợp một số chất khác mà ta không đề cập ở đây.

Trong điều kiện kị khí, pyruvate có thể lên men tạo lactic acid: Dưới tác dụng của lactate dehydrogenase, pyruvate bị khử thành lactic acid. Phản ứng này xảy ra trong mô cơ động vật sẽ tạo thành L-lactic acid, còn trong quá trình lên men do vi sinh vật gây ra (lên men sữa chua, muối dưa, cà ...) sẽ tạo thành D-lactic acid.

Lên men rượu: Nấm men và một số vi khuẩn khác có thể chuyển hóa pyruvate thành ethanol và CO2. Quá trình trải qua 2 bước

Trong bước 1, pyruvate bị khử cacboxyl-hóa vốn được xúc tác bởi enzyme pyruvate decarboxylase, enzyme này cần Mg2+ và có coenzyme là TPP. Bước 2, acetaldehyde bị khử thành ethanol với NADH+H+ được tạo ra từ sự oxy hóa khử 3 P glyceraldehyde.

- Quá trình phân giải háo khí glucose. Chu trình Krebs

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.

- Oxy hóa acetyl- CoA thông qua chu trình Krebs (chu trình citric acid).

- Oxy hóa các coenzyme khử qua chuổi hô hấp(xem phần khái niệm về sự trao đổi chất).

- Chuyển hóa pyruvate thành acetyl-CoA(hiếu khí)

Oxy hóa acetyl-CoA qua chu trình Krebs: Do trong chu trình có mặt các sản phẩm trung gian là các di- và tricarboxylic nên chu trình Krebs còn có tên là chu trình tricarboxylic, hay chu trình citric acid. Chu trình Krebs bao gồm 8 phản ứng sau (Hình 9.6).

Phản ứng 1: Là phản ứng trùng hợp acetyl-CoA và oxaloacetate để tạo thành citrate. Năng lượng cần cho sự trùng hợp do sự phân giải liên kết cao năng trong acetyl-CoA cung cấp.

Phản ứng 2: Citrate bị biến đổi thành isocitrate, là quá trình thuận nghịch được xúc tác bởi enzyme aconitase.

Cis-aconitate thường không tách khỏi enzyme, ở tế bào thường tạo isocitrate vì isocitrate sẽ được chuyển hóa tiếp theo trong chu trình, dù cân bằng ở pH= 7,4, nhiệt độ 25oC chỉ có it hơn 10% isocitrate. Isocitrate có nhóm H-C-OH, mà chỉ 2 nguyên tử hydro ở vị trí này mới dễ dàng tách khỏi cơ chất để kết hợp với coenzyme NAD+ hoặc NADP+.

Phản ứng 3:

Kết quả của sự oxy hóa dưới tác dụng xúc tác của enzyme isocitrate dehydrogenase là 2 nguyên tử hydro được chuyền cho NAD(P)+ và 1 nguyên tử C được tách ra khỏi cơ chất dưới dạng CO2.

Phản ứng 4: Sản phẩm α ketoglutarate vừa bị oxy hóa vừa bị khử carboyl hóa dưới tác dụng xúc tác của phức enzyme α-ketoglutarate dehydrogenase. Giống như phản ứng 3, NADH+H+, CO2 và succinyl CoA được tạo thành.

Phản ứng 5:

Năng lượng trong liên kết cao năng của succinyl CoA được dùng để tạo ATP thông qua GTP. Đây là chặng phản ứng duy nhất của chu trình Krebs xảy ra sự tích lũy năng lượng trong ATP.

Phản ứng 6:

Ở đây có sự kìm hãm cạnh tranh enzyme giữa succinate và malonate. Coenzyme khử FADH2 qua chuỗi hô hấp tạo ATP.

Phản ứng 7: Là phản ứng hydrate hóa fumarate để tạo malate dưới tác dụng của enzyme fumarase.

Fumarase có tính đặc hiệu rất cao, xúc tác sự hydrate hóa nối đôi của fumarate (dạng trans) mà không tác động lên maleate

Fumarase có tính đặc hiệu rất cao, xúc tác sự hydrate hóa nối đôi của fumarate (dạng trans) mà không tác động lên maleate( đồng phân dạng cis của fumarate).

Phản ứng 8: Malate tạo ra ở phản ứng 7 sẽ tiếp tục bị oxy hóa để cho ra oxaloacetate, enzyme xúc tác cho phản ứng này là malate dehydrogenase. Như vậy 1 vòng chu trình đã khép kín, oxaloacetate được tạo ra ở đây khác với oxaloacetate mở đầu của phản ứng 1 về thành phần carbon, oxaloacetate mới được bổ sung 2 carbon từ acetyl-CoA. Oxaloacetate mở đầu của phản ứng 1 có 2 carbon tham gia tạo CO2 ở phản ứng 3 và 4.

-. Chu trình pentose phosphate

Là sự phân giải trực tiếp glucose 6 Phosphate không qua quá trình đường phân, gồm 2 giai đoạn oxy hóa và tái tạo hexose phosphate.

Pentose phosphate (hexose monophosphate) gây ra sự oxy hóa và sự khử carboxyl hóa C1 của glucose 6 Phosphate, khử NADP+ thành NADPH và pentose phosphate.

NADPH cần cho các phản ứng sinh tổng hợp và pentose phosphate cần cho sự tổng hợp nucleotid và nucleic acid.

Pha thứ nhất của pentose phosphate là qúa trình oxy hóa glucose 6 Phosphate để tạo ribulose 5 phosphate và khử NADP+ thành NADPH. Pha thứ hai (nonoxidative) chuyển hóa pentose phosphate thành glucose 6 Phosphate và bắt đầu chu trình trở lại.

Sơ đồ pha thứ nhất của chu trình pentose phosphate

Trong pha thứ hai, các phản ứng được xúc tác bởi transaldolase và transketolase.

Sơ đồ pha thứ hai của chu trình pentose phosphate

Câu 10: Chứng minh acid pyruvic là ngã ba đường của quá trình trao đổi chất?