gt hoa sinhdongvat_

http://www.ebook.edu.vn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

nguyÔn v¨n kiÖm (Chủ biên) nguyÔn v¨n k×nh , nguyÔn v¨n mïi

Ho¸ sinh §éng vËt

Animal Biochemistry

Hμ néi Hμ néi Hμ néi Hμ néi ----2005200520052005


Lêi nãi ®ÇuLêi nãi ®ÇuLêi nãi ®ÇuLêi nãi ®Çu

TÊt c¶ çc qóa tr×nh sinh tr−ëng, ph¸TÊt c¶ çc qóa tr×nh sinh tr−ëng, ph¸TÊt c¶ çc qóa tr×nh sinh tr−ëng, ph¸TÊt c¶ çc qóa tr×nh sinh tr−ëng, ph¸t triÓn hay sù tiÕn triÓn cña bÖnh t triÓn hay sù tiÕn triÓn cña bÖnh t triÓn hay sù tiÕn triÓn cña bÖnh t triÓn hay sù tiÕn triÓn cña bÖnh tËt ®Òu diÔn ra trong tÕ bμo. §¶m nhiÖm ®−îc nh÷ng chøc n¨ng Êy, c¬ thÓ sèng tËt ®Òu diÔn ra trong tÕ bμo. §¶m nhiÖm ®−îc nh÷ng chøc n¨ng Êy, c¬ thÓ sèng tËt ®Òu diÔn ra trong tÕ bμo. §¶m nhiÖm ®−îc nh÷ng chøc n¨ng Êy, c¬ thÓ sèng tËt ®Òu diÔn ra trong tÕ bμo. §¶m nhiÖm ®−îc nh÷ng chøc n¨ng Êy, c¬ thÓ sèng cã çc ph©n tö ®Æc biÖt nh− protein, saccharide, lpipide, n−íc vμ c¶ acid cã çc ph©n tö ®Æc biÖt nh− protein, saccharide, lpipide, n−íc vμ c¶ acid cã çc ph©n tö ®Æc biÖt nh− protein, saccharide, lpipide, n−íc vμ c¶ acid cã çc ph©n tö ®Æc biÖt nh− protein, saccharide, lpipide, n−íc vμ c¶ acid nucleic v. v. Çc ph©n tö nμy lμ nh÷ng “viªn g¹ch” t¹o nªn tÕ bμo, nucleic v. v. Çc ph©n tö nμy lμ nh÷ng “viªn g¹ch” t¹o nªn tÕ bμo, nucleic v. v. Çc ph©n tö nμy lμ nh÷ng “viªn g¹ch” t¹o nªn tÕ bμo, nucleic v. v. Çc ph©n tö nμy lμ nh÷ng “viªn g¹ch” t¹o nªn tÕ bμo, m«, vμ çc m«, vμ çc m«, vμ çc m«, vμ çc c¬ quan cña c¬ thÓ víi møc chuyªn ho¸ tinh vi ®Æc biÖt, ®¶m b¶o cho c¬ thÓ tån c¬ quan cña c¬ thÓ víi møc chuyªn ho¸ tinh vi ®Æc biÖt, ®¶m b¶o cho c¬ thÓ tån c¬ quan cña c¬ thÓ víi møc chuyªn ho¸ tinh vi ®Æc biÖt, ®¶m b¶o cho c¬ thÓ tån c¬ quan cña c¬ thÓ víi møc chuyªn ho¸ tinh vi ®Æc biÖt, ®¶m b¶o cho c¬ thÓ tån t¹i vμ ph¸t triÓn mét çch b×nh th−êng .t¹i vμ ph¸t triÓn mét çch b×nh th−êng .t¹i vμ ph¸t triÓn mét çch b×nh th−êng .t¹i vμ ph¸t triÓn mét çch b×nh th−êng .

Ho¸ sinh ®éng vËt ®−îc xuÊt b¶n lÇn nμy víi môc ®Ých phôc vô chñ yÕu Ho¸ sinh ®éng vËt ®−îc xuÊt b¶n lÇn nμy víi môc ®Ých phôc vô chñ yÕu Ho¸ sinh ®éng vËt ®−îc xuÊt b¶n lÇn nμy víi môc ®Ých phôc vô chñ yÕu Ho¸ sinh ®éng vËt ®−îc xuÊt b¶n lÇn nμy víi môc ®Ých phôc vô chñ yÕu cho çc b¹n ®äc cña ngμnh ch¨n nu«i thó y ë çc tr−êng cho çc b¹n ®äc cña ngμnh ch¨n nu«i thó y ë çc tr−êng cho çc b¹n ®äc cña ngμnh ch¨n nu«i thó y ë çc tr−êng cho çc b¹n ®äc cña ngμnh ch¨n nu«i thó y ë çc tr−êng n«ng nghiÖp vμ çc n«ng nghiÖp vμ çc n«ng nghiÖp vμ çc n«ng nghiÖp vμ çc ngμnh cã liªn quan. Çc vÊn ®Ò ®Òu ®−îc cËp nhËt tíi n¨m 2004.ngμnh cã liªn quan. Çc vÊn ®Ò ®Òu ®−îc cËp nhËt tíi n¨m 2004.ngμnh cã liªn quan. Çc vÊn ®Ò ®Òu ®−îc cËp nhËt tíi n¨m 2004.ngμnh cã liªn quan. Çc vÊn ®Ò ®Òu ®−îc cËp nhËt tíi n¨m 2004.

S¸ch gåm 10 ch−¬ng ®Ò cËp tíi hÇu hÕt çc néi dung cña sinh häc ph©n S¸ch gåm 10 ch−¬ng ®Ò cËp tíi hÇu hÕt çc néi dung cña sinh häc ph©n S¸ch gåm 10 ch−¬ng ®Ò cËp tíi hÇu hÕt çc néi dung cña sinh häc ph©n S¸ch gåm 10 ch−¬ng ®Ò cËp tíi hÇu hÕt çc néi dung cña sinh häc ph©n tö vÒ vÊn ®Ò cÊu tróc vμ qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ vËt chÊt cÊu t¹o nªn c¬ thÓ tö vÒ vÊn ®Ò cÊu tróc vμ qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ vËt chÊt cÊu t¹o nªn c¬ thÓ tö vÒ vÊn ®Ò cÊu tróc vμ qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ vËt chÊt cÊu t¹o nªn c¬ thÓ tö vÒ vÊn ®Ò cÊu tróc vμ qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ vËt chÊt cÊu t¹o nªn c¬ thÓ sèng, nh− protein, acid nucleisèng, nh− protein, acid nucleisèng, nh− protein, acid nucleisèng, nh− protein, acid nucleic, çc qu¸ tr×nh phiªn m· vμ gi¶i m· ADN, qu¸ c, çc qu¸ tr×nh phiªn m· vμ gi¶i m· ADN, qu¸ c, çc qu¸ tr×nh phiªn m· vμ gi¶i m· ADN, qu¸ c, çc qu¸ tr×nh phiªn m· vμ gi¶i m· ADN, qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸, hÊp thu çc chÊt trong c¬ thÓ, qu¸ tr×nh tæng hîp ATP, viÖc tr×nh chuyÓn ho¸, hÊp thu çc chÊt trong c¬ thÓ, qu¸ tr×nh tæng hîp ATP, viÖc tr×nh chuyÓn ho¸, hÊp thu çc chÊt trong c¬ thÓ, qu¸ tr×nh tæng hîp ATP, viÖc tr×nh chuyÓn ho¸, hÊp thu çc chÊt trong c¬ thÓ, qu¸ tr×nh tæng hîp ATP, viÖc t¹o vμ sö dông n¨ng l−îng cho çc ho¹t ®éng sèng. Sù ®iÒu hoμ çc qu¸ tr×nh t¹o vμ sö dông n¨ng l−îng cho çc ho¹t ®éng sèng. Sù ®iÒu hoμ çc qu¸ tr×nh t¹o vμ sö dông n¨ng l−îng cho çc ho¹t ®éng sèng. Sù ®iÒu hoμ çc qu¸ tr×nh t¹o vμ sö dông n¨ng l−îng cho çc ho¹t ®éng sèng. Sù ®iÒu hoμ çc qu¸ tr×nh trao ®æi chÊt hay sù kh¸ng l¹i çc t¸c nh©n g©y bÖnh.trao ®æi chÊt hay sù kh¸ng l¹i çc t¸c nh©n g©y bÖnh.trao ®æi chÊt hay sù kh¸ng l¹i çc t¸c nh©n g©y bÖnh.trao ®æi chÊt hay sù kh¸ng l¹i çc t¸c nh©n g©y bÖnh.

Néi dung cña cuèn s¸ch cßn chøa ®ùng nhiÒu khÝa c¹nh khoa häc cã Néi dung cña cuèn s¸ch cßn chøa ®ùng nhiÒu khÝa c¹nh khoa häc cã Néi dung cña cuèn s¸ch cßn chøa ®ùng nhiÒu khÝa c¹nh khoa häc cã Néi dung cña cuèn s¸ch cßn chøa ®ùng nhiÒu khÝa c¹nh khoa häc cã tÝnh thêi sù nh− sù hoμn thiÖn vμ ®Þnh c− cña çc chuçi polypeptide tÝnh thêi sù nh− sù hoμn thiÖn vμ ®Þnh c− cña çc chuçi polypeptide tÝnh thêi sù nh− sù hoμn thiÖn vμ ®Þnh c− cña çc chuçi polypeptide tÝnh thêi sù nh− sù hoμn thiÖn vμ ®Þnh c− cña çc chuçi polypeptide sau khi ®−îc sau khi ®−îc sau khi ®−îc sau khi ®−îc tæng hîp. §©y lμ c¬ së cña bÖnh lý häc ë møc ph©n tö, tÕ bμo.tæng hîp. §©y lμ c¬ së cña bÖnh lý häc ë møc ph©n tö, tÕ bμo.tæng hîp. §©y lμ c¬ së cña bÖnh lý häc ë møc ph©n tö, tÕ bμo.tæng hîp. §©y lμ c¬ së cña bÖnh lý häc ë møc ph©n tö, tÕ bμo.

Ho¸ sinh ®éng vËt víi néi dung hiÖn h÷u cñaHo¸ sinh ®éng vËt víi néi dung hiÖn h÷u cñaHo¸ sinh ®éng vËt víi néi dung hiÖn h÷u cñaHo¸ sinh ®éng vËt víi néi dung hiÖn h÷u cña nã còng cã thÓ lμ tμi liÖu nã còng cã thÓ lμ tμi liÖu nã còng cã thÓ lμ tμi liÖu nã còng cã thÓ lμ tμi liÖu tham kh¶o h÷u Ých cho çc sinh viªn thuéc çc tr−êng khoa häc c¬ b¶n, çc tham kh¶o h÷u Ých cho çc sinh viªn thuéc çc tr−êng khoa häc c¬ b¶n, çc tham kh¶o h÷u Ých cho çc sinh viªn thuéc çc tr−êng khoa häc c¬ b¶n, çc tham kh¶o h÷u Ých cho çc sinh viªn thuéc çc tr−êng khoa häc c¬ b¶n, çc tr−êng s− ph¹m, çc tr−êng y, d−îc häc.tr−êng s− ph¹m, çc tr−êng y, d−îc häc.tr−êng s− ph¹m, çc tr−êng y, d−îc häc.tr−êng s− ph¹m, çc tr−êng y, d−îc häc.

Çc t¸c gi¶ tuy ®· cã nhiÒu cè g¾ng vÒ néi dung vμ çch tr×nh bμy. Song Çc t¸c gi¶ tuy ®· cã nhiÒu cè g¾ng vÒ néi dung vμ çch tr×nh bμy. Song Çc t¸c gi¶ tuy ®· cã nhiÒu cè g¾ng vÒ néi dung vμ çch tr×nh bμy. Song Çc t¸c gi¶ tuy ®· cã nhiÒu cè g¾ng vÒ néi dung vμ çch tr×nh bμy. Song ch¾c thiÕu sãt trong cuèn s¸ch nμy lμch¾c thiÕu sãt trong cuèn s¸ch nμy lμch¾c thiÕu sãt trong cuèn s¸ch nμy lμch¾c thiÕu sãt trong cuèn s¸ch nμy lμ khã tr¸nh khái. V× vËy chóng t«i mong khã tr¸nh khái. V× vËy chóng t«i mong khã tr¸nh khái. V× vËy chóng t«i mong khã tr¸nh khái. V× vËy chóng t«i mong r»ng sau khi sö dông cuèn s¸ch nμy, sÏ ®−îc ®éc gi¶ gãp nhiÒu ý kiÕn bæ Ých r»ng sau khi sö dông cuèn s¸ch nμy, sÏ ®−îc ®éc gi¶ gãp nhiÒu ý kiÕn bæ Ých r»ng sau khi sö dông cuèn s¸ch nμy, sÏ ®−îc ®éc gi¶ gãp nhiÒu ý kiÕn bæ Ých r»ng sau khi sö dông cuèn s¸ch nμy, sÏ ®−îc ®éc gi¶ gãp nhiÒu ý kiÕn bæ Ých ®Ó cuèn s¸ch ngμy cμng hoμn thiÖn h¬n.®Ó cuèn s¸ch ngμy cμng hoμn thiÖn h¬n.®Ó cuèn s¸ch ngμy cμng hoμn thiÖn h¬n.®Ó cuèn s¸ch ngμy cμng hoμn thiÖn h¬n.

Hμ néi, th¸ng 12 n¨m 2004 Hμ néi, th¸ng 12 n¨m 2004 Hμ néi, th¸ng 12 n¨m 2004 Hμ néi, th¸ng 12 n¨m 2004

Çc t¸c gi¶ Çc t¸c gi¶ Çc t¸c gi¶ Çc t¸c gi¶


Môc lôc

Trang më ®Çu

Sinh ho¸ häc vμ vai trß cña sinh ho¸ häc

TS. NguyÔn V¨n KiÖm

1

Ch−¬ng I Protein

PGS.TS NguyÔn V¨n K×nh, TS. NguyÔn V¨n KiÖm

3

1. Kh¸i niÖm vµ chøc n¨ng cña protein 3 2. CÊu t¹o cña protein 4 2.1. Axit amin - ®¬n vÞ cÊu t¹o nªn protein 4 2.2. CÊu tróc bËc I cña protein 10 2.3 CÊu tróc bËc II cña protein 12 2.4 CÊu tróc bËc III cña protein 14 2.5 CÊu tróc bËc IV cña protein 17 3. C¾t vµ söa ®æi protein t¹o nªn kh¶ n¨ng míi 17 4. Bèn møc cÊu tróc cña protein 22 5. Sequence amino axit chuyªn ho¸ cÊu tróc kh«ng gian cña protein 23 6. Sù g¾n ®Æc hiÖu vµ nh÷ng thay ®æi cÊu tróc lµ c¬ së cña t¸c ®éng protein 26 7. §Æc tÝnh lý ho¸ cña protein 28 8. Ph©n lo¹i protein 29

Ch−¬ng II

Axit nucleic vµ c¬ chÕ di truyÒn tÕ bµo

PGS.TS. NguyÔn V¨n Mïi, TS. NguyÔn V¨n KiÖm

34

1. Kh¸i niÖm vÒ axit nucleic 34 2. CÊu tróc cña axit nucleic 34 2.1. Mononucleotit 34 2.2. Dinucleotit 42 2.3. CÊu tróc bËc I cña axit nucleic 43 2.4. CÊu tróc bËc II cña axit nucleic 45 2.5. CÊu tróc bËc III vµ siªu cÊu tróc cña axit nucleic 49 3. Ph©n lo¹i axit nucleic 49 4. Phøc hîp axit nucleic -protein 54 5. Sù ph©n gi¶i axit nucleic 56 6. Sù tæng hîp axit nucleic 59


Ch−¬ng III ENzyme


71

1. Kh¸i niÖm vÒ enzyme 71 2. B¶n chÊt cña enzyme 71 3. Trung t©m ho¹t ®éng cña enzyme 72 4. ChÊt phèi hîp cña enzyme 74 5. §Æc ®iÓm ho¹ tÝnh cña enzyme 83 6. Tªn gäi vµ ph©n lo¹i enzyme 84 7. C¬ chÕ xóc t¸c cña enzyme 86 8. §éng häc enzyme 91 9. VÝ dô vÒ ph¶n øng xóc t¸c cña enzyme 94 10. Enzyme ®iÒu hoµ 96

Ch−¬ng IV

Sinh ho¸ hormone


98

1. §¹i c−¬ng vÒ hormone 98 2. Ph©n lo¹i hormone 102 3. C¬ chÕ t¸c dông cña hormone 104 3.1. Hai nguyªn lý c¬ b¶n vÒ t¸c dông cña hormone 104 3.2. C¬ chÕ t¸c dông cña hormone 105 3.2.1. C¬ chÕ t¸c dông lªn mµng 106 3.2.2. C¬ chÕ t¸c dông lªn gen 113 4. Mét sè hormone vµ vai trß cña chóng 117 4.1. Adrenalin vµ Noradrenalin 117 4.2. Glucagon 118 4.3. Insulin 119 4.4. Tèc ®é trao ®æi chÊt c¬ b¶n vµ hormone tuyÕn gi¸p 123

Ch−¬ng V

Trao ®æi vËt chÊt vµ n¨ng l−îng


126

1. Trao ®æi vËt chÊt lµ g×? 126 2. Trao ®æi n¨ng l−îng 129 2.1. Sinh vËt sèng b»ng n¨ng l−îng g×? 129 2.2. Sù h« hÊp m« bµo 130 2.3. Qu¸ tr×nh phosphoryl ho¸ 137

Ch−¬ng VI

Gluxit vµ qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ gluxit

PGS.TS. NguyÔn V¨n Mïi, TS. NguyÔn V¨n KiÖm

142

1. Kh¸i niÖm vµ vai trß vÒ gluxit 142


2. Ph©n lo¹i gluxit 143 3. Tiªu ho¸, hÊp thu vµ dù tr÷ gluxit ë ®éng vËt 144 3.1. Tiªu ho¸, hÊp thu tinh bét 144 3.2. Sinh tæng hîp glycogen 146 3.3. Sù ph©n gi¶i glycogen 148 3.4. Sù tiªu ho¸ vµ hÊp thu chÊt x¬ 151 4. Sù chuyÓn ho¸ trung gian cña glucose 154 4.1. Kh¸i qu¸t vÒ sù chuyÓn ho¸ glucose 154 4.2. Çch ph©n gi¶i yÕm khÝ glucose ë m« bµo ®éng vËt - Qu¸ tr×nh ®−êng ph©n 154 4.3. Qu¸ tr×nh lªn men r−îu etylic 169 4.4. Sù lªn men vi sinh vËt t¹o thµnh çc s¶n phÈm cã gi¸ trÞ th−¬ng m¹i 170 4.5. Çc monosaccharide kh¸c cã thÓ ®i vµo con ®−êng ®−êng ph©n 170 5. Sù oxy ho¸ glucose trong ®iÒu kiÖn cã ®ñ oxy 172 5.1. Oxy ho¸ theo vßng Krebs 173 5.2. Çc con ®−êng thø cÊp cña sù oxy ho¸ glucose 192 6. Sù ®iÒu hoµ trao ®æi gluxit 198 7. Mét sè bÖnh do rèi lo¹i trao ®æi ®−êng 202

Ch−¬ng VII

Lipid vµ sù chuyÓn ho¸ lipid


204

1. §¹i c−¬ng vÒ lipid 204 2. Mét sè ®Æc ®iÓm vÒ tiªu ho¸, hÊp thu, vËn chuyÓn vµ dù tr÷ lipid ë ®éng vËt 205 3. Sù ph©n gi¶i triglyceride 209 4. Sù h×nh thµnh vµ chuyÓn ho¸ thÓ xeton 216 5. Tæng hîp axit bÐo vµ triglyceride 220 6. S¬ l−îc vÒ vai trß vµ sù chuyÓn ho¸ çc d¹ng lipoide 225 7. §iÒu hoµ qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ lipid 227

Ch−¬ng VIII

Trao ®æi protein


228

1. ý nghÜa cña sù chuyÓn ho¸ protein ë ®éng vËt 228 2. §Æc ®iÓm cña trao ®æi protein ë ®éng vËt 228 3. Tiªu ho¸ vµ hÊp thu protein 229 4. Sù chuyÓn ho¸ trung gian cña axitamin 233 4.1. Ph¶n øng khö amin 233 4.2. Ph¶n øng chuyÓn amin 235 4.3. Ph¶n øng khö carboxyl 236 5. Sù thèi r÷a prtein ë ruét giµ do vi khuÈn 239 6. Sù bµi tiÕt çc chÊt cÆn b� chøa nit¬ 240 6.1. Sù vËn chuyÓn amiac trong c¬ thÓ 240 6.2. Sù tæng hîp vµ bµi tiÕt ure (vßng ornitin) 241 6.3 Sù bµi tiÕt axit uric 242 7. Sù chuyÓn ho¸ cña çc protein phøc t¹p 244


7.1. Sù chuyÓn ho¸ cña hemoglobin 244 7.2. Rèi lo¹n chuyÓn ho¸ hemoglobin 245 8. Qu¸ tr×nh sinh tæng hîp protein 246 8.1. ý nghÜa cña qu¸ tr×nh 246 8.2. Sinh tæng hîp theo khu«n mÉu 247 8.3 Tæng hîp protein ë ty l¹p thÓ 261 8.4. §iÒu hoµ tæng hîp protein 261 9. Sù hoµn thiÖn ph©n tö protein sau khi ®−îc tæng hîp 264 10. Sù biÕn ®æi mét sè protein xuÊt ngo¹i 265 11. Sù gluxit ho¸ protein 266 12. Çc protein ®i vµo ty l¹p thÓ 268 13. Çc protein nh©n tÕ bµo 269

Ch−¬ng IX

MiÔn dÞch häc

PGS.TS NguyÔn V¨n K×nh

270

1. HÖ thèng miÔn dÞch cña c¬ thÓ 270 1.1. HÖ thèng miÔn dÞch tÕ bµo 270 1.2. HÖ thèng miÔn dÞch thÓ dÞch 273 1.3. HÖ thèng miÔn dÞch lµ hÖ thèng tù dung n¹p 274 2. CÊu tróc vµ vai trß cña kh¸ng thÓ (immunoglobulin) 275 3. Kh¸ng thÓ ®¬n dßng 282 4. VÞ trÝ g¾n kh¸ng nguyªn cña kh¸ng thÓ 282 5. Sù ph¸t sinh tÝnh ®a d¹ng cña kh¸ng thÓ 284 6. Çc chuçi nhÑ λ 287 7. Sù l¾p r¸p çc gen chuçi nÆng 287 8. Protein RAG1 vµ RAG2 289 9. §ét biÕn dinh d−ìng 289 10. Sù lo¹i trõ alen ®¶m b¶o cho kh¸ng thÓ cã tÝnh ®Æc hiÖu cao 290 11. Sù chuyÓn ®æi tù d¹ng liªn kÕt mµng ®Õn d¹ng tiÕt cña mét kh¸ng thÓ 290 12. Sù chuyÓn líp immunoglobulin cña çc tÕ bµo B 291 13. Receptor tÕ bµo T 292 14. Phøc hîp hoµ hîp tæ chøc chÝnh 294 15. HÖ thèng bæ thÓ 297 16. Vaccine cña hiÖn t¹i vµ t−¬ng lai 303

Ch−¬ng X

Sù vËn chuyÓn chÊt qua mµng

PGS.TS NguyÔn V¨n K×nh

305

1. Nh÷ng nÐt ®¹i c−¬ng vÒ mµng tÕ bµo 305 2. Thµnh phÇn ho¸ häc cña mµng tÕ bµo 305 3. Sù vËn chuyÓn çc chÊt qua mµng 307 4. Sù vËn chuyÓn tÝch cùc qua líp tÕ bµo


Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 1

MỞ ĐẦU HOÁ SINH HỌC VÀ VAI TRÒ CỦA HOÁ SINH HỌC

Hoá sinh học là môn học cơ sở, có nhiệm vụ nghiên cứu sự sống về mặt hoá học trên hai phương diện:

Nghiên cứu về cấu tạo, thành phần hoá học, tính chất lý hoá, chức năng sinh học của các chất trong cơ thể sống: máu, cơ, não, sinh dịch...

Nghiên cứu về sự chuyển hoá của các thành phần cấu tạo nên cơ thể sống, đó là sự trao đổi vật chất (TĐVC) ở trong cơ thể, là các quá trình chuyển hoá, sự biến đổi của các chất, sựtổng hợp, phân giải từ những sản phẩm chuyển hoá tạo nên những chất cấu tạo nên cơ thể. TĐVC giữa cơ thể sống và môi trường gồm nhiều mặt, nhiều quá trình có liên quan chặt chẽvới nhau, để dễ hiểu người ta tách chúng ra thành từng quá trình như trao đổi protein, trao đổi lipid, trao đổi đường...

Từ hoá sinh lần đầu tiên được nhà hoá học Đức Carl Neuberg (1903) đề xuất từ hai chữhoá và sinh ( Biochemistry, Bio: là sự sống).

Hoá sinh được hình thành từ sự phát triển của các môn hoá học và sinh học vào cuối thếkỷ XIX và đầu thế kỷ XX, dựa vào sự tiến bộ của các ngành khoa học vật lý, hoá phân tích... với các công trình như tổng hợp được ure (Waller, 1828), vai trò của diệp lục trong quang hợp (Timirazep, 1843 – 1920), chất xúc tác sinh học của Enzyme (Kirgop, Pasteur, Buchner)... Sang thế kỷ XX nhiều phát minh về hoá sinh được ghi nhận, năm 1926 Enzyme có bản chất protein được xác định, ATP được chiết xuất (Fiske và Subbarow, 1929), Hans Krebs (1937) tìm ra chu trình acidxidric. Năm 1944, Avery, Maclesa và Mac Carty chỉ ra DNA là cơ sở của sự di truyền mở đầu cho hoá sinh di truyền. Kennedy và Lehninger (1950) tìm ra sự hô hấp tếbào sản sinh ra ATP ở ty thể. Emil Fischer (1953) đã xác định được toàn bộ thứ tự các acid amin trong cấu trúc bậc I của Insuline. Jemes Watson và Francis Crick (1954) đã tìm ra cấu trúc của DNA. Năm 1961 Nirenberg và Matthei đã tìm ra được chuỗi poli U mã hoá cho Phe.

Song song với việc tìm ra cấu tạo, vai trò và thành phần hoá học của sự sống, hoá sinh cũng khám phá được nhiều cơ chế hoá học cụ thể của từng khâu quan trọng nhất trong quá trình trao đổi vật chất của cơ thể như sự hô hấp tế bào, hoạt động xúc tác của Enzyme, cơ chếquang hợp của cây xanh, cơ chế tiêu hoá hấp thu ở động vật, cơ chế vận chuyển qua màng, Cùng những năm 60 của thế kỷ XX Jacob và Monod đã tìm ra sự điều hoà gen tổng hợp protein và một loạt các quá trình sinh tổng hợp purin, acid amin, glucid, lipid lần lượt được sáng tỏ... Ngày nay với sự hoàn thiện về kỹ thuật xác định trình tự DNA và việc áp dụng tựđộng hoá và tin học hoá đã cho phép giải mã toàn bộ thể gen (genome) của nhiều loài sinh vật.

Hoá sinh có vai trò quan trọng trong toàn bộ lĩnh vực phát triển sinh học. Nhờ sự phát triển nhanh chóng và những phát kiến do hoá sinh mang lại mà nhiều cuộc “cách mạng”trong sinh học đã bùng nổ, đã giải quyết được nhiều vấn đề lớn cho yêu cầu của con người như vấn đề bệnh tật của con người và vật nuôi, vấn đề gây đột biến gen đã tạo nên hàng loạt cây trồng có tính kháng sâu bệnh, có năng suất đột biến để giải quyết vấn đề lương thực và thực phẩm.



Hoá sinh đã giữ vai trò là công cụ quan trọng trong sự phát triển của sinh học phân tử và hàng loạt các ngành hoá sinh ra đời như hoá sinh miễn dịch, công nghệ hoá sinh, hoá sinh lâm sàng...

Hoá sinh cũng là cơ sở của hàng loạt các ngành như di truyền học, dược học, nhân và tạo giống gia súc, dinh dưỡng học...

Sinh vật biến đổi gen hay là sinh vật chuyển gen (genetically modified organisms - GMO) là một bản anh hùng ca (epic event) của thời đại và có một ý nghĩa vô cùng to lớn trong lĩnh vực Sinh học. Ngoài tính chính xác trong việc thêm đặc tính mới, sự chuyển gen hay sự biến nạp gen còn cho phép xoá bỏ ranh giới giữa các giống, loài nghĩa là vượt qua được “hàng rào tự nhiên” trong công tác tạo giống. Đây là một vấn đề chưa từng có trong lịch sử ứng dụng các nghiên cứu Hoá sinh học.

Trong khuôn khổ của ngành chăn nuôi-thú y, những kiến thức mà hoá sinh mang lại sẽgiúp cho những nhà chăn nuôi và bác sĩ thú y không những hiểu biết cơ bản về hiện tượng sống, bản chất của quá trình trao đổi vật chất trong cơ thể, cơ chế và những nguyên nhân gây nên bệnh tật... để từ đó có thể chủ động đề xuất các biện pháp tác động nhằm tăng năng suất và chất lượng các sản phẩm thịt, sữa, trứng đồng thời có biện pháp phòng chống bệnh cho vật nuôi để nâng cao được hiệu quả trong ngành.



CHƯƠNG I

CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA PROTEIN

1. khái niệm và Chức năng của protein.

1.1. Khái niệm: Protein - đi từ chữ Proteios của Hy Lạp nghĩa là "tầm quan trọng sốmột". Một từ của Jửns J. Berselius năm 1938 để nhấn mạnh tầm quan trọng của những phân tử này.

Về mặt hoá học: Protein là một polyme tự nhiên được cấu tạo từ các monome là các acid amin.

Về mặt sinh học: Protein là chất mang sự sống. Điều này đã được Angel viết: “Sự sống là phương thức tồn tại của các thể protein và phương thức tồn tại này, về thực chất, là sự đổi mới thường xuyên của các cấu tử hoá học trong những thể protein này”. Thật vậy xét về các mặt thể hiện của sự sống, chúng ta đều gặp sự tham gia của protein như sự di chuyển trong không gian của sinh vật là nhờ chức năng co dãn của protein có dạng sợi, dạng cầu trong tơ cơđó là miozin và actin. Sự tiêu hoá, chuyển hoá các chất là nhờ các protein enzyme. Sự tự vệcủa cơ thể là nhờ protein loại bạch cầu, các kháng thể...

Protein có trong tất cả các loại tế bào với tỷ lệ khác nhau (% so với khối lượng vật chất khô): lúa: 6-12, ngô: 9-13, đậu tương: 29-50, gan: 57, xương: 28, cơ vân: 80...

1.2. Chức năng của protein: Protein giữ vai trò rất quan trọng trong tất cả các quá trình sinh học. Ý nghĩa đáng kể của chúng được thể hiện qua các chức năng sau đây:

Tạo hình: Protein là thành phần cấu tạo của các tế bào, kể từ siêu khuẩn đến các tế bào có nhân, các mô, các sinh dịch...

Xúc tác sinh học: đó là vai trò của các enzyme-một loại protein đặc biệt, dưới tác dụng của chúng, giúp cho các phản ứng hoá sinh học xẩy ra.

Điều hoà chuyển hoá: đó là các protein hormone, giúp cho các phản ứng trong tế bào xảy ra đúng chiều hướng, đúng cường độ mà cơ thể đòi hỏi.

Vận chuyển các chất: Ví dụ Hb vận chuyển khí, Transferin vận chuyển sắt, Xytocrom vận chuyển điện tử...

Chức năng co duỗi, vận động: sự vận động của cơ thể là nhờ chức năng co dãn của protein miozin và actin trong tơ cơ

Chức năng bảo vệ cơ thể: là nhờ các kháng thể, các bạch cầu. Các kháng thể là các protein đặc hiệu cao, nó nhận biết và kết hợp với các chất lạ như virus, vi khuẩn và các tế bào từ các cơ thể khác. Vì thế protein giữ một vai trò sinh tử trong việc phân biệt giữa mình (self) và không phải mình (nonself).

Trợ giúp cơ học (Mechanical support). Sự kéo căng của da và xương là do collagen- một protein sợi

Phát xung và vận chuyển các xung thần kinh. Sự đáp ứng của các tế bào thần kinh đối với một kích thích đặc hiệu được thực hiện qua trung gian các protein tiếp nhận (Receptor). Chẳng hạn như Rhodopsin là một protein nhạy cảm với ánh sáng trong các tế bào hình que ở



võng mạc. Các protein Receptor cũng có thể được tạo ra bởi các phân tử nhỏ đặc hiệu chẳng hạn như Acetylcholine, nó đáp ứng cho sự vận chuyển xung thần kinh ở các synaps (khoảng không giữa tế bào thần kinh và các các mô bào khác).

Kiểm soát sự sinh trưởng và biệt hoá. Sự kiểm soát thông tin di truyền là cần thiết đểsinh trưởng và biệt hoá có trật tự của tế bào. Chỉ có một phần nhỏ genome của một tế bào là được biểu hiện ở một thời điểm nào đó. Ở vi khuẩn, các protein kìm hãm là các yếu tố kiểm soát quan trọng các đoạn đặc hiệu "im lặng" của DNA của một tế bào. Ở các cơ thể có tổ chức cao hơn, sự sinh trưởng và biệt hoá được kiểm soát bởi các protein yếu tố sinh trưởng. Chẳng hạn, yếu tố sinh trưởng thần kinh hướng dẫn sự hình thành mạng lưới neuron. Hoạt tính của các tế bào khác nhau trong các cơ thể đa tế bào được điều phối bởi các hormone. Chẳng hạn như Insuline và hormone tuyến giáp đều là protein. Như vậy, protein hoạt động trong các tếbào như là các cảm thụ quan (sensor) kiểm soát dòng năng lượng và các quá trình khác.

Cung cấp năng lượng: khi bị phân giải 1 gam protein cung cấp cho cơ thể 4,1 kcal.

2. Cấu tạo của protein

Protein được cấu tạo từ các nguyên tố hoá học phổ biến trong tự nhiên và theo một tỷ lệlà (% khối lượng protein):

C: 50-54%; O: 20-23%; H: 6-7%; N ≈ 16%. Ngoài ra còn có S, P, Fe,...

Ở protein cấu trúc là cơ sở của chức năng, nên việc tìm hiểu về cấu trúc của chúng là vấn đề số một. Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu và từ đó cũng có hàng loạt các phương pháp, phương tiện và đi đôi với chúng là hàng loạt các phát hiện mới trong cấu trúc của protein như cấu trúc của các hormone, các enzyme, các kháng thể và đặc biệt là cấu trúc DNA...

Trước hết phải hiểu được đơn vị cấu tạo nên mọi loại protein đó là các acid amin.

2.1. Acid amin- đơn vị cơ bản cấu tạo nên protein

2.1.1. Định nghĩa

Acid amin-đơn vị cơ bản cấu tạo nên protein, là những monome để tạo nên chất polyme protein. Công thức chung của acid amin là: R

CH

NH2 COOH

Trong cấu tạo của acid amin ta thấy có một nhóm carboxyl mang tính acid, một nhóm amin mang tính kiềm nằm ở vị trí Carbon α (nguyên tử Carbon có tên là α bởi vì nó đứng kếcận nhóm Carboxyl) nên còn có tên là α-aminoacid, một nguyên tử Hydrogen và một nhóm R có bản chất khác nhau. Nhóm R được biểu thị như là một chuỗi bên. Gốc R khác nhau và tạo nên các acid amin khác nhau. Trong tự nhiên người ta đã tìm được 250 loại acid amin nhưng protein trong cơ thể sinh vật mặc dù khác nhau cũng chỉ chứa trong số 20 loại acid amin nhất định mà thôi.



Các acid amin trong dung dịch pH trung tính chủ yếu ở dạng lưỡng cực (Zwidterions) hơn là dạng các phân tử không ion hoá. Trong dạng lưỡng cực của acid amin thì nhóm amin ởdạng (-NH3

+) và nhóm Carboxyl bị phân ly (- COO-). Trạng thái ion hoá của một acid amin thay đổi theo pH. Trong dung dịch acid (pH =1) nhóm Carboxyl không bị ion hoá (- COOH) và nhóm amin lại bị ion hoá (- NH3

+).

C COOH

NH2

R

H C COO-

NH3+

R

H

(Dạng không Ion hoá) (Dạng Ion lưỡng cực hoặc Zwidterion)

Trong dung dịch kiềm (pH =11), nhóm Carboxyl bị ion hoá (- COO-) và nhóm amin lại không bị ion hoá (-NH2). Đối với Glycine, pK của nhóm Carboxyl là 2,3 và của nhóm amin là 9,6. Nói một cách khác, là điểm giữa của sự ion hoá thứ nhất ở pH 2,3 và sự ion hoá thứ hai ởpH 9,6.

Khối tứ diện của 4 nhóm bao quanh nguyên tử carbon α tạo nên hoạt tính quang học trên các acid amin. Hai dạng hình ảnh đối diện qua gương được gọi là đồng phân quay cực trái L và đồng phân quay cực phải D. Chỉ những L acid amin mới tham gia cấu trúc Protein.

Có 20 loại chuỗi bên khác nhau về kích thước, hình dạng, diện tích, khả năng liên kết Hydrogen cũng như tính phản ứng hoá học thường thấy ở các protein. Thật vậy, các protein trong tất cả các mẫu từ vi khuẩn tới người đều được cấu trúc từ cùng một bộ 20 acid amin. Những chức năng quan trọng của protein là do tính đa dạng và sự linh hoạt của 20 loại acid amin này. Chúng ta sẽ khảo sát những phương thức mà điều cơ bản này đã tạo nên cấu trúc không gian 3 chiều phức tạp để cho protein có thể thực hiện được nhiều quá trình sinh học.

Đơn giản nhất là glycine, nó có đúng một nguyên tử Hydrogen ở chuỗi bên (Hình 1.1). Tiếp đó là Alanine, có một nhóm methyl. Các chuỗi bên hydrat carbon lớn hơn (3 và 4 C ) có ở valine, leucine và isoleucine. Những chuỗi bên lớn hơn này là kỵ nước (Hydrophobic) tức là nó ghét nước và thích cụm lại. Cấu trúc 3 chiều của các protein hoà tan trong nước được ổn định bởi sự cụm lại của các chuỗi bên kỵ nước. Hình dạng và kích thước của các chuỗi bên hydrat carbon này (Hình 1.1) làm cho chúng có thể bao với nhau tạo nên cấu trúc đặc cùng với các lỗ.



Hình 1.1: Công thức của các acid amin có chuỗi bên béo

Proline cũng có một chuỗi bên nhưng khác với chuỗi bên của các thành viên khác của acid amin là nó gắn cả với nguyên tử nidrogen và cả nguyên tử carbon α. Cấu trúc chu trình được tạo thành (Hình 1.2) ảnh hưởng đáng kể đến kiến tạo protein. Proline thường thấy ởnhững chỗ thắt nút của chuỗi protein cuộn, và không ghét nước.

HN

C OH

O

Proline (Pro, P)

Hình 1.2. Cấu trúc phân tử Proline

3 acid amin có chuỗi bên thơm (Hình 1..3) là Phenylalanine như tên của nó đã chỉ rõ, có chứa một vòng phenyl gắn với một nhóm methylene (- CH2 -). Vòng thơm của Tyrosine chứa một nhóm Hydroxyl tạo cho Tyrosine ít kỵ nước hơn so với Phenylalanine. Tuy nhiên, nhóm Hydroxyl này có tính phản ứng ngược lại với các chuỗi bên trơ của các amin acid khác. Tryptophan có một vòng indole nối với một nhóm methylene; chuỗi bên này có một nguyên tử nidrogen thêm vào các nguyên tử carbon và hydrogen. Phenylalanine và Tryptophan kỵnước cao. Vòng thơm của Phenylalanine, Tryptophan và Tyrosine có chứa mây điện trở ∏không định vị (delocalized) làm cho chúng tương tác được với hệ thống ∏ khác và với các điện tử vận chuyển.



Nguyên tử lưu huỳnh có ở chuỗi bên của 2 α-aminoacid (Hình 1.4). Cystein chứa một nhóm sulfhydryl (- SH) và Methionine chứa một nguyên tử lưu huỳnh trong liên kết Thioester (- S - CH3). Cả 2 chuỗi bên chứa lưu huỳnh đều ghét nước. Nhóm sulfhydryl của Cystein có tính phản ứng cao. Cystein giữ một vai trò đặc biệt trong cấu hình của một số protein bằng cách tạo các liên kết disulfide.

Hình 1.4: Các acid amin chứa lưu huỳnh.

Hai acid amin Serine và Threonine có chứa các nhóm Hydroxyl (Hình 1.5). Nhóm Hydroxyl trên Serine và Threonine làm cho chúng ưa nước hơn và có tính phản ứng hơn Alanine và Valine. Threonine cũng giống như Isoleucine có chứa 2 trung tâm bất đối. Tất cảcác acid amin khác trong bộ cơ bản 20 trừ glycine đều có 1 trung tâm bất đối (nguyên tửcarbon α). Glycine là chất duy nhất (unique) bất hoạt quang học.

Hình 1.3: Các acid amin thơm.



Hình 1.5: Các acid amin chứa nhóm OH.

Các acid amin có chuỗi bên rất phân cực và làm chúng ưa nước là Histidine, Lysine và Arginine. Lysine và Arginine tích điện dương ở pH trung tính. Histidine có thể không tích điện hay tích điện dương, tuỳ thuộc vào môi trường của nó. Histidine thường thấy ở các vị trí hoạt hoá của Enzyme, ở đó vòng imidazole có thể chuyển đổi giữa các trạng thái để xúc tác bẻgãy các liên kết.

Những acid amin kiềm được ghi trong hình (1.6). Các chuỗi bên của Arginine và Lysine là dài nhất trong số 20 acid amin

Hình 1.6: Các acid amin kiềm tính.

Các acid amin chứa chuỗi bên acid là Aspartic và glutamic. Các acid amin này thường gọi là Aspartate và glutamate để nhấn mạnh rằng chuỗi bên của chúng gần như luôn luôn tích điện âm ở điều kiện pH sinh lý (Hình 1.7). Những dẫn xuất không tích điện của glutamate và aspartate là glutamine và asparagine.



H2N CH C

CH2

OH

O

C

OH

O

Axit Aspartic

H2N CH C

CH2

OH

O

CH2

C

OH

O

Axit Glutamic

H2N CH C

CH2

OH

O

C

NH2

O

Asparagin

H2N CH C

CH2

OH

O

CH2

C

NH2

O

Glutamin

Hình1.7: Các acid amin có tính acid và các amide của chúng.

Ngoài ra còn 2 acid amin có chuỗi bên là nhóm kị nước và có chứa lưu huỳnh là Nor leucin và Cystin là dẫn xuất của Leucin và Cystein

CH3-CH2-CH2-CH2-CH- COOH CH2- S ⎯ S - CH2

⎜ ⎜ ⎜ NH2 CH - NH2 CH - NH2 ⎜ ⎜ COOH COOH

Hình 1.8. Cấu trúc phân tử Nor leuxin và Cystin



Giá trị pK đặc trưng và cân bằng đối với sự ion hoá chuỗi bên của Arginine, Lysine, Histidine, Aspartic và Acid glutamic, Cysteine và Tyrosine được ghi trong bảng (1.1). Hai nhóm khác trong protein: nhóm cuối α amin (α amin terminal) và nhóm cuối α carboxyl (αcarboxyl terminal) có thể bị ion hoá cũng được ghi trong bảng này.

Các acid amin thường được ký hiệu hoặc bằng 3 chữ viết tắt hoặc một chữ tượng trưng để dễ dàng trong thông tin (bảng 1.2).

Viết tắt của các acid amin là 3 chữ đầu tiên tên acid amin trừ trường hợp Acid glutamic (Glu), Acid apartic (Asp), Asparagin (Asn), Glutamine (Gln) và Isoleucine (Ile), Nor leucin (Nor leu). Những tượng trưng của một số ít acid amin là chữ đầu tiên tên acid amin (tức là G cho Glycine và L cho Leucine).

2.1.2. Phân loại acid amin.

Phân loại theo hoá học: liên kết thẳng, liên kết vòng; trung tính, acid, base.

Phân loại theo sinh lý (giá trị dinh dưỡng): acid amin là những chất dinh dưỡng cực kỳquan trọng đối cơ thể, khi người ta nói đến thức ăn cần có protein tức là cần có các acid amin. Ở cơ thể động vật cao đẳng (người và gia súc) khả năng tự tổng hợp acid amin bị hạn chế, trong số 20 acid amin cần thiết để tổng hợp protein thì những động vật đó chỉ tổng hợp được trên dưới 10 loại. Những acid amin mà cơ thể không tự tổng hợp được người ta gọi là "acid amin cần thiết", còn những acid amin cơ thể tự tổng hợp được được gọi là "acid amin không cần thiết". Do khả năng của mỗi loài động vật khác nhau nên số "acid amin cần thiết" cũng khác nhau, thông thường gồm 9 loại sau: Tre, Met, Val, Leu, Ileu, Lyz, Phe, Try, His. Các acid amin cần thiết này còn phụ thuộc vào lứa tuổi ví dụ ở gà con lại cần Gly và Arg, khi trưởng thành thì lại không cần nữa vì chúng tự tổng hợp được.

Acid amin trong cơ thể ở dạng đồng phân quay cực trái (dạng L)

2.2. Cấu trúc bậc I của protein

2.2.1. Định nghĩa: Đây là cách liên kết giữa các acid amin lại với nhau bằng liên kết peptide để tạo nên chuỗi peptide:

- C - N - ⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜ ⎜⎜⎜⎜O H

Liên kết peptide là liên kết hình thành bởi nhóm định chức carboxyl của acid amin này với nhóm định chức amin của acid amin bên cạnh. Đây là liên kết đồng hoá trị nên rất bền vững, để phá vỡ liên kết này, trong phòng thí nghiệm người ta phải dùng những tác nhân mạnh như acid HCl, H2SO4... với nồng độ 4-6 N đun ở nhiệt độ 1020C kéo dài 24 giờ.

Đặc tính nổi bật của protein là chúng có cấu trúc 3 chiều. Vào những năm cuối 1930, Linus Pauling và Robert Corey bắt đầu các nghiên cứu các cấu trúc của các acid amin và peptide. Mục đích của họ là biết được khoảng cách và các gốc liên kết tiêu chuẩn của các acid

Bảng 1.1 và 1.2. Giá trị pK của các nhóm Ion hoá và viết tắt của các acid amin



amin và rồi dùng những thông tin này để dự đoán cấu trúc của protein. Một trong số các phát kiến quan trọng là đơn vị peptide cứng và phẳng (Hình1.9). Hydrogen của nhóm amin thay thế hầu như luôn luôn ở dạng Trans (đối nghịch) với oxy của nhóm carbonyl chỉ trừ liên kết peptide X-pro (X là gốc bất kỳ), nó có thể là cis (cùng một phía) hoặc Trans. Liên kết giữa nguyên tử carbon carbonyl và nguyên tử Nidrogen của đơn vị peptide là không tự do để có thểquay được bởi vì liên kết này có đặc tính riêng.

Chiều dài của liên kết này là 1,32 A0 nó nằm giữa chiều dài liên kết của liên kết đơn (-N (1,46 A0) và liên kết đôi (=N (1,51 A0). Ngược lại, liên kết giữa nguyên tử Carbon α và nguyên tử Carbon Carbonyl lại là liên kết đơn thật sự. Liên kết giữa nguyên tử Carbon α và nguyên tử Nidrogen peptide cũng là một liên kết đơn thuần khiết. Cuối cùng, có một mức độlớn về sự tự do quay xung quanh những liên kết này ở phía đơn vị peptide cứng (Hình 1.9). Độ cứng của liên kết peptide tạo cho protein có dạng 3 chiều xác định. Sự tự do quay ở phía đơn vị peptide cũng có tầm quan trọng tương đương bởi vì nó cho phép protein cuộn lại theo nhiều cách.

Angstrom (A) - đơn vị đo chiều dài bằng 10-10 met. 1 A0 = 10-10m = 10-8cm = 10-μm = 10-1nm. Anders J. Angstrom (1814 - 1874)

Hình1.9. Cấu trúc một đơn vị peptide.

2.2.2. Đặc điểm của cấu trúc bậc I: có 2 dặc điểm quan trọng là:

Thứ tự sắp xếp trước sau của acid amin trong chuỗi. Ví dụ: có 3 loại: Val, Tre, Lyz sẽcó các cách sắp xếp sau:

Val - Tre - Lyz, Tre - Lyz - Val, Lyz - Tre - Val, Val - Lyz - Tre, Tre - Val - Lyz, Lyz - Val - Tre

Như vậy có 6 kiểu và quy luật là 3! = 1.2.3 = 6 kiểu và tạo nên 6 loại peptide khác nhau. Vậy với 20 loại acid amin thì sẽ có 20! và sẽ tạo ra số lượng các loại protein khác nhau là rất lớn. Chính nhờ khả năng sắp xếp hết sức phong phú này của các acid amin trong chuỗi peptide mà tuy chỉ có 20 loại acid amin ta thấy thế giới sinh vật hết sức đa dạng.



Trong chuỗi, đầu chuỗi bao giờ cũng có nhóm amin tự do, cuối chuỗi có nhóm carboxyl tự do.

Số lượng các acid amin trong chuỗi làm cho chuỗi peptide dài ngắn khác nhau: 2 acid amin gọi là đi peptide, 3 gọi là tri peptide, 4-10 gọi là olygopeptide và >10 gọi là polypeptide. Khối lượng phân tử của chuỗi peptide phụ thuộc vào điều này. Trung bình mỗi chuỗi có khoảng 150 acid amin ví dụ Insuline có 51 acid amin, glucagon có 19 acid amin...

Sự khác nhau của các protein về cấu trúc bậc I tạo nên tính đặc trưng sinh học của protein từ đó quyết định đặc tính, tính trạng của sinh vật. Tính đặc trưng này riêng cho từng loại protein và được di truyền rất chặt chẽ qua nhiều thế hệ (được mã hoá trong DNA)

2.3. Cấu trúc bậc II của protein

2.3.1. Định nghĩa: Là cách xoắn gọn lại của chuỗi peptide, tạo cho chuỗi peptide những đoạn xoắn kiểu xoắn α hay gấp nếp β.

Năm 1951 Linus Pauling và Robert Corey giả định có 2 cấu trúc polypeptide là xoắn αvà nếp gấp β. Xoắn α là một cấu trúc giống như một cái gậy. Chuỗi polypeptide liên kết chính cuộn chặt lại tạo nên phần bên trong của gậy, còn các chuỗi bên trải rộng ra ngoài trong một hình xoắn (Hình 1.10). Xoắn α được ổn định bởi liên kết hydrogen giữa các nhóm NH và CO của chuỗi chính. Nhóm CO của mỗi acid amin tạo liên kết Hydrogen với nhóm NH của acid amin cách 4 gốc về phía trước (Hình1.10). Trong xoắn α, nhóm CO của gốc n liên kết Hydrogen với nhóm NH của gốc (n + 4). Như vậy tất cả các nhóm CO và NH của chuỗi chính đều được liên kết Hydrogen. Gốc nọ cách gốc kia 1,5 A0 dọc theo trục xoắn và góc quay là 100° gồm 3,6 gốc acid amin cho một chu kỳ xoắn. Như vậy các amin acid được trải rộng lại rất gần về mặt không gian trong xoắn α. Khoảng cách của xoắn α là 1,5 A0 và khoảng cách trong một chu kỳ (3,6 gốc) là 5,4 A0.

Vòng xoắn có thể là bên phải (Clockwise) thuận chiều kim đồng hồ hoặc bên trái (counter clockwise) đối kim đồng hồ. Các xoắn α của protein là quay phải. Mức xoắn α của protein rất rộng từ 0 tới gần 100%. Ví dụ Enzyme tiêu hoá chymotrypsin không có xoắn α. Ngược lại myoglobin và hemoglobin có tới 75 % là xoắn α. Xoắn α đơn thường có chiều dài nhỏ hơn 45 A0. Tuy nhiên, hai hay nhiều xoắn α có thể đan với nhau để tạo nên những cấu trúc rất ổn định nó có thể dài đến 1000 A0 (100nm hay 0,1μm) hoặc hơn. Những xoắn α(Hình 1.11) thấy ở Myosin và Tropomyosin của cơ, fibrin trong các cục máu và keratin trong tóc. Các cáp xoắn trong những protein này giữ vai trò cơ học trong việc hình thành những bó rắn chắc của các sợi như trong lông lợn.

Cấu trúc xoắn α được Pauling và Corey suy diễn khoảng 10 năm trước đây khi họ quan sát qua cấu trúc tia X của Myoglobin. Sự giải thích về cấu trúc của xoắn α là một bước ngoặt trong sinh học phân tử bởi vì nó chứng minh được rằng cấu trúc của một chuỗi polypeptide có thể được dự đoán nếu bản chất các thành phần của nó đã được hiểu một cách chính xác và tuân theo một nguyên tắc nghiêm ngặt.

Pauling và Corey cũng đã phát hiện một cấu trúc khác là nếp gấp β (gọi là β bởi vì nó được xác định là cấu trúc thứ hai còn xoắn α là thứ nhất). Nếp gấp β khác nhiều so với xoắn α. Một chuỗi polypeptide trong nếp gấp β gọi là một dây (sợi) β hầu như được duỗi ra hoàn



toàn chứ không cuộn chặt như trong xoắn α. Dạng nếp gấp β được ổn định bởi liên kết di sunfid (- s - s -) liên kết này được hình thành từ 2 nhóm sulfihydryl (-SH) của 2 acid amin Cys khi chúng ở gần nhau trong không gian. Dạng gấp nếp β có bước xoắn thưa thường có ởnhững protein dạng sợi như keratin ở lông, tóc, sừng, móng.

Khoảng cách trục giữa các acid amin kế cận là 3,5 A0, ngược lại ở xoắn α là 1,5 A0. Một sai khác nữa là nếp gấp β được làm ổn định bởi các liên kết Hydrogen giữa các nhóm NH và CO trong các sợi polypeptide khác nhau, trong khi đó ở xoắn α, liên kết Hydrogen là giữa các nhóm NH và CO trong cùng một sợi. Những chuỗi kề cận trong nếp gấp β có thể chạy cùng một hướng (nếp β song song) hoặc các hướng đối nghịch (nếp β đối song song) (hình 1.12), ví dụ như các sợi tơ bao gồm chủ yếu các nếp gấp β. Gấp β là một cấu trúc có trong nhiều protein. Những đơn vị cấu trúc này thông thường bao gồm từ 2 đến 5 sợi song song hoặc đối song song..



Hình 1.11. Siêu xoắn αααα.

Hình 1.12. Cấu trúc đối ββββ. Các sợi ββββ mới tạo thành chạy theo những hướng ngược lại.

2.4. Cấu trúc bậc III của protein

2.4.1. Định nghĩa: Là cách xắp xếp gọn lại trong không gian của chuỗi peptide khi đã có cấu trúc bậc II.

2.4.2. Các lực nối ổn định cấu trúc bậc III:

Lực disulfid - S - S - liên kết này được hình thành từ 2 nhóm sulfihydryl (-SH ) của 2 acid amin Cys khi chúng ở gần nhau trong không gian khoảng 2 lần đường kính phân tử. Đây là liên kết đồng hoá trị nên tương đối bền vững (W = 4-5Kcal/mol), tuy nhiên số lượng liên

Hình 1.10. Xoắn αααα



kết này ít (4-6 liên kết trong 1 phân tử) nên tác dụng ổn định cấu trúc bậc III là không giữ vai trò quyết định.

Một số protein có chứa liên kết disulfide. Sự liên kết chéo giữa các chuỗi hoặc giữa các bộ phận của một chuỗi được tạo ra bởi sự oxy hoá của các gốc Cystein disulfide để tạo thành liên kết disulfide (hình 1.13). Các protein trong nội bào thường thiếu liên kết disulfide, trong khi đó các protein ngoại bào thường chứa một vài liên kết này. Dẫn xuất của những liên kết chéo không lưu huỳnh của các chuỗi bên của lysine cũng có mặt trong một số protein. Chẳng hạn như, các sợi collagen ở mô liên kết làm cho mô này vững chắc, hay là các sợi đông máu

Hình1.13 Cầu Disulfide (-S-S-)được hình thành từ các nhóm SH của Cys trong Insuline

Có thể nói cấu trúc bậc III của protein chủ yếu ổn định được là nhờ một loạt các liên kết phụ, có lực nối yếu, nhưng có mặt ở khắp mọi nơi trong phân tử protein. Đó là:

Liên kết Hydro > N....H... N <. Đây là liên kết xuất hiện trong trường hợp chất có hiện tượng phân cực, giữa hai nhóm mang điện tích âm có khoảng cách 2-3 A0 có hydro ở giữa

Liên kết của các nhóm kỵ nước (nhóm không ưa nước, chỉ chứa C, H như: Val, Leu...) nhóm này có tính đẩy nước và bị nước đẩy, trong dung dịch keo khi chúng gần nhau sẽ tạo thành một đám tạo nên lực liên kết.

Lực Valderval (lực hấp dẫn vi mô): là lực nối xuất hiện giữa các nhóm phân tử khi chúng nằm gần nhau một khoảng cách bằng 1,5-2 lần đường kính phân tử.

Liên kết ion xuất hiện giữa các acid amin còn dư nhóm cacboxyl (-COOH) và nhóm amin (-NH2 ) trong dung dịch chúng phân ly thành các ion COO- và NH3

+.

Liên kết peptide xuất hiện giữa các acid amin còn dư nhóm -COOH và -NH2 khi chúng ở gần nhau (số lượng liên kết này cũng rất ít). ( Hình 1.14)



Đặc điểm của các liên kết này là năng lượng liên kết thấp, nó là liên kết yếu nhưng nó có mặt ở khắp nơi trong phân tử protein cho nên tác dụng ổn định cấu trúc của nó là rất lớn, đồng thời do yếu nên dễ chịu ảnh hưởng tác dụng của môi trường (t0 và pH).

2.4.3. Hệ quả của cấu trúc bậc III:

Trong cấu trúc bậc III có một điều có ý nghĩa quyết định đối với hoạt tính của protein là thông qua việc hình thành cấu trúc bậc III trong phân tử protein hình thành nên các trung tâm hoạt động:

Trung tâm hoạt động là yếu tố bắt buộc phải có ở các protein chức năng (enzyme, kháng thể...), là nơi tiếp xúc giữa protein với đối tượng tác động, là nơi thực hiện các phản ứng hoá sinh của protein.

Trung tâm hoạt động được hình thành từ một số acid amin bình thường nằm xa nhau dọc theo chuỗi peptide, nhưng nhờ có cấu trúc bậc III mà chúng được gần nhau trong không gian để phối hợp với nhau thực hiện chức năng của protein như trypsinogen ( Hình 1.15)

Hình 1.15: Cấu trúc của trypsinogen

Hình 1.14. Mô hình các liên kết trong cấu trúc bậc III của protein



Các gốc acid amin thường tham gia vào trung tâm hoạt động là: Cys với nhóm -SH, Ser, Tyr, Tre với nhóm - OH; Lyz, Arg với nhóm -NH2, Glu, Asp với nhóm –COOH, His với nhóm imidazon.

Có thể nói trung tâm hoạt động của protein có được là nhờ có cấu trúc bậc III và ổn định được là nhờ sự ổn định của cấu trúc bậc III. Vì lý do trên tất cả những yếu tố gì ảnh tới các liên kết duy trì cấu trúc bậc III đều ảnh hưởng tới trung tâm hoạt động, ảnh hưởng này có thểtích cực hoặc tiêu cực đối với chức năng của protein, nếu là ảnh hưởng tích cực làm cho protein thực hiện chức năng thuận lợi hơn ta gọi đó là hiện tượng hoạt hoá protein, ngược lại nếu là ảnh hưởng tiêu cực làm rối loạn méo mó cấu trúc bậc III, làm cho protein hoạt động yếu đi, thậm chí không hoạt động, người ta gọi là hiện tượng ức chế hoặc làm tê liệt chức năng của protein.

Những yếu tố ảnh hưởng tới trung tâm hoạt động là những yếu tố ảnh hưởng tới các liên kết trong cấu trúc bậc III từ đó ảnh hưởng tới hoạt tính của protein. Trong cơ thể động vật các yếu tố đó là t0 và độ pH. Ở động vật, nhiệt độ ổn định của cơ thể có những trị số nhất định (người: 36-37 0C, trâu bò 37-380C, gia cầm 39-410C...), mỗi một mô bào tuỳ theo chức năng mà có độ pH riêng của mình. Nhiệt độ và độ pH là điều kiện tối ưu của những protein chức năng.

2.5. Cấu trúc bậc IV của protein.

2.5.1. Định nghĩa: Là cách tập hợp, kết hợp với nhau của một số tiểu phần protein đã có cấu trúc bậc III tạo nên những tổ hợp phức tạp và qua đó tạo cho phân tử protein có những đặc tính mới. Ví dụ:

Hb có 4 tiểu phần liên kết với nhau bằng cấu trúc bậc IV theo hình tứ diện đều.

Phân tử enzyme Phosphorylase thực hiện phản ứng phân giải glycogen thành glucose trong chuyển hoá đường, khi ở trạng thái dime (dạng phosphorylase b) chúng không có hoạt lực, khi chuyển sang dạng tetrame (dạng phosphorylase a) thì chúng có hoạt lực:

O - O

4ATP 4ADP O - O

O - O

P

P P

P

Protein-kinase

Phosphorylase ‘b’ dạng dime Phosphorylase ‘a’ dạng tetrame

2.5.2. Ý nghĩa: đây là cách điều hoà hoạt tính của protein đồng thời tiết kiệm được nguyên liệu.

3. Cắt và sửa đổi protein tạo nên các khả năng mới.

Nhiều trong số 20 acid amin có thể bị thay đổi sau khi chuỗi polypeptide đã được tổng hợp nên đã làm tăng thêm khả năng của protein. Ví dụ các amin chót của nhiều protein đã acetyl hoá, điều đó làm cho protein tăng sự kháng lại sự phân giải. Ở các collagen tổng hợp mới, nhiều gốc protein đã hydroxyl hoá để tạo hydroxyproline (Hình 1.16). Những nhóm



hydroxyl được thêm vào đã làm ổn định sợi collagen. Ý nghĩa sinh học của sự sửa đổi này đã được dẫn ra trong bệnh thiếu vitamin C (Scurvy) nguyên nhân là do sự hydroxyl hoá không đầy đủ của collagen vì thiếu vitamin C. Các amin acid chuyên biệt khác cũng được tạo ra nhưγ - carboxyglutamate. Khi thiếu vitamin K, sự carboxyl hoá không đủ của glutamate trong prothrombin, một nhóm protein đóng cục do đó dẫn tới sự xuất huyết. Hầu hết các protein, chẳng hạn như các kháng thể được tiết ra bởi các tế bào đòi hỏi phải có đơn vị carbohydrate trên các gốc asparagine đặc hiệu. Việc thêm carbohydrate vào làm cho protein ưa nước hơn. Ngược lại, một protein có thể trở nên ghét nước hơn nếu thêm một acid béo vào nhóm α-amin hoặc một nhóm sulfhydryl của Cystein.

Nhiều Hormone, chẳng hạn như Adrenalin, đã làm thay đổi hoạt tính của nhiều Enzyme do sự kích thích phosphoryl hoá của acid amin hydroxyl là serine và Threonine. Phosphoserine và phosphothreonine là các acid amin được sửa đổi thường xuyên nhất trong các protein. Các yếu tố sinh trưởng tác động bằng cách tạo nên sự phosphoryl hoá nhóm hydroxyl của Tyrosine để tạo nên phosphoTyrosine. Các nhóm phosphate trên 3 acid amin sửa đổi này có thể bị loại đi, làm cho chúng có thể tác động như sự chuyển đổi nghịch trong sự điều hoà các quá trình của tế bào. Thật vậy, một số gen sản sinh ung thư (oncogene) tác động bằng cách kích thích sự phosphoryl hoá dư thừa các gốc Tyrosine trên các protein kiểm soát sự tăng sinh của tế bào.

Hình 1.16: Sự sửa đổi các gốc acid amin ở một số protein.

Nhiều protein bị cắt xén sau khi sinh tổng hợp. Chẳng hạn như các Enzyme tiêu hoá khi được tổng hợp, tiền thân của nó là bất hoạt có thể cất giữ an toàn ở tuỵ. Sau khi được giải phóng vào đường tiêu hoá, những tiền thân này trở nên hoạt hoá do cắt đi liên kết peptide. Trong quá trình đông máu, fibrinogen hoà tan chuyển thành fibrin không hoà tan cũng do sựcắt bớt liên kết peptide. Nhiều hormone polypeptide chẳng hạn như adrenocorticotropin do sựchẻ nhỏ của một protein tiền thân. Cũng giống như vậy, các protein của poliovirus được tạo nên do sự xén bớt của một polyprotein tiền thân lớn hơn. Một vài protein chủ chốt của Virus-1 (HIV-1) gây nên AIDS là do sự cắt xén đặc hiệu của một tiền thân dài hơn.



Các chuỗi Polypeptide có thể đảo hướng do sự quay gấp. Nhiều protein có hình cầu, gọn có sự đảo hướng trong các chuỗi polypeptide của chúng. Nhiều sự đổi hướng được hoàn tất bởi một yếu tố cấu trúc gọi là sự đổi hướng β. Trong sự quay này nhóm CO gốc (n) liên kết Hydrogen với nhóm NH của gốc (n + 3) (Hình 1.17). Như vậy một chuỗi polypeptide có thể đổi hướng một cách bất ngờ. Sự đổi hướng β thường để nối các sợi β đối song song. Nó cũng được hiểu như là sự đổi hướng hay sự bẻ gập đột ngột.

Xoắn Collagen được ổn định bởi Proline và Hydroxypoline.

Một dạng đặc biệt của xoắn có trong Collagen - thành phần sợi chính của da, xương gân, sụn và răng. Những protein ngoại bào có chứa 3 chuỗi polypeptide xoắn. Mỗi chuỗi dài 1000 gốc. Trình tự acid amin của collagen rất điều hoà: gần như 1/3 gốc là glycine, proline chiếm 12%. Hơn nữa collagene có chứa 2 acid amin hiếm gặp là Hydroxyproline và hydroxylusine. Trình tự glycine - Proline - Hydroxyproline (Gly - Pro - Hyp) cũng thường được tái diễn (Hình 1.18).

Collagen là một phân tử hình que dài khoảng 3000 A0 nhưng đường kính chỉ 15 A0. Hoạ tiết xoắn 3 (Hình1.18) hoàn toàn khác với xoắn α. Liên kết Hydrogen có trong nội bộmột sợi. 3 dây cuộn lại với nhau tạo nên cáp siêu xoắn. Khoảng cách trục cho 1 gốc trong siêu xoắn là 2,9 A0 và có gần 3 gốc cho một chu trình. 3 dây này có liên kết Hydrogen với nhau. Chất cho Hydrogen là nhóm NH peptide của gốc glycine và chất nhận hydrogen là nhóm CO cuả các chuỗi khác. Nhóm Hydroxyl của các gốc Hydroxyproline cũng tham gia trong liên kết Hydrogen.

Đến bây giờ chúng ta đã hiểu tại sao glycine chiếm 1/3 vị trí trải dài hàng nghìn gốc tạo nên vùng xoắn của collagen. Phía bên trong của cáp dây 3 này rất chặt. Vì vậy, chỉ có glycine là có thể vừa khít ở vị trí bên trong này. Vì có 3 gốc cho một chu trình xoắn, cho nên phải có 1/3 gốc trên mỗi dây là glycine.

Khi quan sát sợi collagen ta thấy có vằn ngang, đó là các phân tử Tropocolagen ở các dẫy kề nhau xếp lệch nhau 1/4 phân tử. Trên cùng một dẫy, giữa phân tử Tropocollagen có một khớp dài 400 A0.

H×nh 1.17: §¶o h−íng quay cña peptide.



Protein giÇu liªn kÕt hydrogen. Nh÷ng nh©n tè nµo x¸c ®Þnh cÊu tróc 3 chiÒu cña protein? Çc t−¬ng t¸c ph©n tö trong çc hÖ thèng sinh häc ®Òu qua 3 nh©n tè trung gian: liªn kÕt tÜnh ®iÖn, liªn kÕt Hydrogen vµ liªn kÕt Valderval. Chóng ta còng ®� thÊy liªn kÕt Hydrogen gi÷a çc nhãm NH vµ CO cña chuçi chÝnh ®Ó t¹o xo¾n α, nÕp gÊp β vµ çp collagen. Trong thùc tÕ, çc chuçi bªn cña 11 trong sè 20 acid amin nÒn t¶ng ®Òu cã thÓ tham gia liªn kÕt Hydrogen. V× thÕ chóng ta nãi çc acid amin nµy cã tiÒm n¨ng liªn kÕt Hydrogen:

1. Çc chuçi bªn cña Tryptophan vµ Arginine cã thÓ ho¹t ®éng chØ nh− chÊt cho liªn kÕt Hydrogen (Hydrogen bond donor).

2. Còng gièng nh− chÝnh ®¬n vÞ peptide, çc chuçi bªn cña Asparagine, Glutanine vµ Threonine ho¹t ®éng nh− nh÷ng chÊt cho vµ nhËn liªn kÕt Hydrogen.

3..Kh¶ n¨ng liªn kÕt Hydrogen cña Lysine (vµ nhãm cuèi Amin), Aspartic vµ Acid glutamic (vµ nhãm cuèi Carboxyl), Tyrosine vµ Histidine thay ®æi theo pH. Çc nhãm nµy cã thÓ ho¹t ®éng víi t− çch lµ chÊt nhËn còng nh− chÊt cho trong mét thang pH x¸c ®Þnh vµ víi t− çch lµ chÊt nhËn hoÆc chÊt cho (chø kh«ng ph¶i c¶ hai) ë nh÷ng pH kh¸c nh− Aspartate vµ Glutamate trªn h×nh (1.19). MÉu h×nh liªn kÕt Hydrogen cña çc gèc cã thÓ ion ho¸ nµy lµ phô thuéc pH.

Hình 1.18 Cấu trúc của Collagen xoắn ba.

Nhóm cho hydrogen của tryptophan Nhóm cho hydrogen của Arginine

Hình1.19: Các nhóm liên kết hydrogen của một số chuỗi bên ở protein.

Protein hoà tan trong nước cuộn lại trong các cấu trúc thích hợp có các lõi không phân cực.

Trình tự acid amin của chuỗi Collagen Cấu trúc một chuỗi Collagen xoắn ba



Những nghiên cứu tia X chỉ rõ chi tiết cấu trúc 3 chiều của trên 300 protein. Chúng ta bắt đầu với Myoglobuline, protein đầu tiên được nhìn nhận chi tiết ở mức nguyên tử.

Myoglobine, là chất dự trữ oxy ở cơ, nó là một chuỗi polypeptide đơn với 153 acid amin, khối lượng phân tử là 18Kd. Myoglobine có khả năng gắn với oxy phụ thuộc vào sự có mặt của Hem, một nhóm prosthetic không polypeptide bao gồm protoporphyrin và một nguyên tử sắt ở trung tâm. Myoglobine là một phân tử cực kỳ thích hợp với chức năng vận chuyển O2. Kích thước của nó là 45 x 35 x 25A0. Cấu trúc bậc 1 của Myoglobine là các xoắn α, phân tử này có 8 xoắn. Khoảng 70% chuỗi chính cuộn lại trong các xoắn α và nhiều phần còn lại của chuỗi tạo thành các chu trình giữa các xoắn. Có 4 vòng chứa proline, có xu hướng làm phá vỡ các xoắn α bởi vì nó làm chướng ngại không gian bởi một vòng 5 rắn chắc (rigid).

Sự cuộn lại của chuỗi chính ở Myoglobine cũng giống như các protein khác, nó là một phức hợp và không cân đối. Sự thật nổi bật là ở bên trong bao gồm hầu hết các gốc không phân cực như Leucine, Valine, Methionine và Phenylalanine. Những gốc phân cực nhưAspartate, Glutamate, Lysine và Arginine không có mặt trong Myoglobine. Riêng chỉ có vài gốc phân cực có mặt ở phía trong là 2 Histidine giữ vai trò đặc biệt trong việc gắn oxy của Hem. Mặt khác, phía ngoài của Myoglobine lại chứa cả những gốc phân cực và không phân cực. Mô hình không gian đầy đủ cũng chỉ rõ rằng nó có rất ít khoảng trống ở bên trong.



Sự phân phối đối nghịch của các gốc phân cực và không phân cực đã vạch rõ những khía cạnh có tính chất chìa khoá của kiến trúc protein. Trong một môi trường nước, các protein cuộn lại là do khuynh hướng loại trừ nước mạnh mẽ của các gốc kỵ nước. Cần phải nhắc lại rằng nước cấu kết rất cao còn các nhóm kỵ nước lại ổn định nhiệt động hơn khi tụbên trong phân tử. Chuỗi Polypeptide vì thế cuộn lại một cách tự phát để cho các chuỗi bên kỵnước chìm vào bên trong, những chuỗi tích điện phân cực thì nằm trên bề mặt. Số phận của chuỗi chính đi kèm với chuỗi bên kỵ nước cũng rất quan trọng. Bí mật của việc chôn sâu một đoạn của chuỗi chính trong một môi trường kỵ nước là để tạo cặp tất cả các nhóm NH và CO bằng liên kết Hydrogen. Các cặp đôi này được hoàn thiện trong xoắn α hoặc nếp gấp β. Liên kết Valderval giữa các chuỗi bên Hydrocarbon cũng góp phần làm ổn định cho protein. Bây giờ thì chúng ta hiểu tại sao bộ 20 acid amin có chứa một vài acid amin khác nhau về hình dạng và kích thước một cách tinh tế như vậy.

Ribonuclease, một Enzyme tuyến tuỵ phân giải RNA là một ví dụ về các cách khác nhau của cuộn protein. Chuỗi polypeptide đơn này gồm 124 gốc cuộn lại chủ yếu trong các dây β. Ngược lại, với Myoglobine có chứa các xoắn α nhưng thiếu các dây β. Ribonuclease cũng giống như Myoglobine có chứa bên trong chất không phân cực cao và cuốn rất chặt. Enzyme này được làm ổn định xa hơn bởi 4 liên kết disulfide. Cấu trúc của một protein có thểđược tượng trưng trong dạng xơ đồ tạo với các dây β như những mũi tên rộng còn xoắn α nhưmột đường xoắn và những vùng nối như những sợi dây bện (string).

Mô hình Ribonuclease (hình 1.20) của Richardson rất lợi ích cho việc thể hiện các mối liên quan của các yếu tố trong các protein, đặc biệt là các protein lớn và rất lợi cho việc xác định các tiết hoạ cấu trúc trong các protein khác.

Những protein màng không thể thiếu được, nó trải trên các màng sinh học, được thiết kếkhác so với các protein hoà tan trong dung dịch nước. Barrier tính thẩm của màng được tạo bởi các Lipide, chúng là các chất kỵ nước mạnh. Như vậy, phần protein màng trải trên vùng này phải có đầu ngoài kỵ nước, phần vận chuyển màng của protein màng thường bao gồm các bó xoắn α với các chuỗi bên không phân cực (chẳng hạn như Leucine và Phenylalanine) chúng hướng ra ngoài bề mặt của protein này.

4. Bốn mức cấu trúc của protein.

Cấu trúc bậc 1 là trình tự các acid amin. Cấu trúc bậc 2 là sự sắp xếp không gian của các gốc acid amin, gốc nọ kề gốc kia trong trình tự thẳng. Xoắn α và dây β là các thành viên của cấu trúc bậc 2. Cấu trúc bậc 3 là sự sắp xếp không gian của các gốc acid amin ở xa nhau và mô hình của liên kết disulfide và các liên kết phụ. Tuy nhiên việc chọn ra cấu trúc bậc 2 hay bậc 3 chỉ là cảm giác.

Cấu trúc bậc 4 là sự sắp xếp không gian của các đơn vị (Subunid) và bản chất tiếp xúc của nó. Ví dụ như Hemoglobine, có chứa 2 chuỗi α và 2 chuỗi β. Các đơn vị này giao diện với nhau trong một Tetramer để tham gia vào vận chuyển thông tin giữa các vị trí gắn xa đối với O2, CO2 và H.

Hình 1.20. Phân tử Ribonuclease



Những nghiên cứu về cấu trúc chức năng và sự tiến hoá của protein đã vạch rõ tầm quan trọng của 2 mức khác nữa của tổ chức. Cấu trúc siêu bậc 2 (Supersecondary Structure) chỉcụm những cấu trúc bậc 2, chẳng hạn như một dây β tách biệt với một dãy β khác bởi một xoắn α đã thấy ở nhiều protein. Hoạ tiết này được gọi là đơn vị βαβ (Hình 1.21).

Một số chuỗi polypeptide cuộn lại trong 2 hoặc nhiều hơn các vùng chắc đặc (compact) có thể nối với nhau bởi những đoạn co rãn của chuỗi polypeptide cũng giống như các quả lê trên một cành. Những đơn vị hình cầu chắc đặc này gọi là domain, có kích thước từ khoảng 100 đến 400 gốc acid amin. Chẳng hạn như, chuỗi L25 - Kd của một kháng thể cuộn lại trong 2 domain (Hình 1.21). Những đơn vị hình cầu này gắn cái nọ với cái kia, điều đó khiến người ta cho rằng chúng được xuất hiện do sự nhân đôi của một gen nguyên thuỷ. Một nguyên tắc quan trọng đã được phát hiện từ sự phân tích gen và protein ở Eucaryote bậc cao hơn là Các domain protein thường được mã hoá bởi các phần tách biệt của gen gọi là exon.

Những protein có nhiều chuỗi polypeptide thì có thêm mức tổ chức cấu trúc. Mỗi chuỗi polypeptide trong những protein như thế gọi là dưới đơn vị ( Subunid ).

Hình 1.21. Siêu cấu trúc bậc 2 của protein



5. Thứ tự các acid amin chuyên hoá cấu trúc không gian của protein

Chúng ta hãy xem xét mối quan hệ giữa các thứ tự acid amin của một protein và cấu trúc của nó từ công trình kinh điển của Christian Anfinsen trên Ribonulease. Đó là một chất sớm được chú ý, Ribonuclease là một chuỗi polypeptide gồm 124 gốc acid amin, 4 liên kết disulfide có thể bị cắt đi do việc khử chúng với một thuốc thử như β-mercaptoethanol nó sẽhình thành disulfide hỗn hợp với chuỗi bên Cystein (hình 1..22).

Khi cho dư nhiều β-mercaptoethanol thì các disulfide hỗn hợp cũng bị khử, sản phẩm cuối cùng là 1 protein trong đó disulfide (Cystin) được chuyển hoàn toàn thành sulfhydryl (Cysteine). Tuy nhiên, người ra cũng phát hiện rằng Ribonuclease ở 37°C và pH 4 lại không bị khử bởi β-mercaptoethanol trừ phi protein này được xử lý với các thuốc thử như urea hoặc guanidine hydrochloride. Mặc dầu cơ chế tác động của các tác nhân này chưa được rõ hoàn toàn, nhưng đã rõ ràng là chúng làm rối loạn các tương tác không đồng hoá trị. Hầu hết các chuỗi peptide đều không có các liên kết chéo để thừa nhận một cấu trúc cuộn ngẫu nhiên trong urea 8M hoặc Guanidine HCl 6M.

Khi Ribonuclease được xử lý với β-mercaptoethanol trong urea 8M thì sản phẩm là một chuỗi polypeptide cuộn lại một cách ngẫu nhiên và bị khử hoàn toàn, nó không có hoạt tính Enzyme. Nói một cách khác, Ribonuclease đã bị biến tính do sự xử lý này (hình 1..23).

Sau đó Anfisen đã có những quan sát đặc biệt về Ribonuclease đã bị biến tính khi loại trừ urea và β-mercaptoethanol bằng thẩm tích thì hoạt tính Enzyme lại được phục hồi một cách chậm chạp. Ông đã lĩnh hội được ý nghĩa của sự phát hiện tình cờ này là: Sulfhydryl của các Enzyme đã bị biến tính sẽ bị oxi hoá bởi không khí và Enzyme này lại cuộn lại một cách tự phát trong dạng hoạt hoá xúc tác. Những nghiên cứu chi tiết sau đó đã chỉ ra rằng hầu nhưtất cả hoạt tính Enzyme gốc (original) sẽ được khôi phục nếu nhóm sulfhydryl bị oxi hoá dưới những điều kiện thích hợp (hình 1..23). Tất cả các đặc tính lý hoá của Enzyme cuộn lại phân biệt rõ ràng với Enzyme nguyên mẫu (native). Những thí nghiệm này đã chỉ ra rằng thông tin

Hình 1.22: Sự khử cầu disulfide trong một protein bằng cách cho dư thừa thuốc thửsulfhydryl (R-SH) chẳng hạn như ββββ-mercaptoethanol.



cần để chuyển hoá phức hợp cấu trúc 3 chiều của Ribonuclease nằm ở trong các thứ tự acid amin. Những nghiên cứu sau này đã xác định một cách tổng quát nguyên lý trung tâm của sinh học phân tử là thứ tự chuyên hoá các cấu trúc hoá học. Một kết quả khác thu được khi Ribonuclease đã khử sẽ bị oxi hoá khi ở urea 8M. Chế phẩm này sau đó được thẩm tích đểloại urea. Ribonuclease bị tái oxi hoá theo cách này chỉ có hoạt tính Enzyme 1%.

Hình 1.23. Sự hoàn nguyên của ribonuclease

Tại sao kết quả của thí nghiệm này khác với kết quả trong đó Ribonuclease đã bị khử sẽlại tái oxi hoá trong dung dịch không có urea? Lý do là tạo vòng đôi disulfide không đúng (wrong) ở phân tử khử khi bị tái oxi hoá vì có tới 105 cách của 8 vòng đôi Cystein để hình thành 4 disulfide; nhưng chỉ có một trong số các hợp chất này là có hoạt tính Enzyme. 104 vòng đôi sai có tên là Ribonuclease "leo trèo" (Scramble). Sau đó Anfinsen đã thấy các Ribonuclease “leo trèo” này chuyển đổi một cách tự phát thành Ribonuclease nguyên mẫu, đầy đủ hoạt tính khi cho vào một ít β-mercaptoethanol trong dung dịch nước (hình 1..23). β-mercaptoethanol được thêm vào sẽ xúc tác sự sắp xếp lại của các vòng đôi disulfide cho đến khi cấu trúc ban đầu được hoàn nguyên, thời gian mất khoảng 10 giờ. Quá trình này được thực hiện hoàn toàn bởi việc làm giảm năng lượng tự do nhờ cấu trúc "leo trèo" đã chuyển thành cấu trúc của Enzyme. Như vậy, dạng ban đầu của Ribonuclease là cấu trúc ổn định nhất về nhiệt động học. Tuy nhiên, điều quan trọng là việc cuộn lại của nhiều Enzyme lại được sựtrợ giúp bởi Enzyme, nó xúc tác để đạt tới trạng thái năng lượng thấp nhất.

Sự hoà hợp như thế nào của tương tác trung gian để tạo nên sự chuyển ngược từ dạng không cuộn sang dạng cuộn của một protein? Cấu trúc của một protein có thể được suy luận



từ các thứ tự acid amin của nó được không? Những vấn đề này là trung tâm của hoá sinh phân tử.

Anfinsen (1964) viết: “Cái đập vào tôi gần đây là người ta có thể thật sự thấy được các thứ tự của một phân tử protein, về sự cuộn lại trong một dạng hình học chính xác giống nhưmột hàng chữ viết đẹp đẽ trong dạng quy chuẩn và sự tạo mẫu với bản chất cuộn lại của nó, tạo nên sự hoà hợp với chức năng sinh học”.

6. Sự gắn đặc hiệu và những thay đổi cấu trúc là cơ sở của tác động protein

Bước đầu tiên trong tác động của một protein là việc gắn của nó với phân tử khác. Protein như là một lớp các đại phân tử độc quyền về khả năng nhận biết và tương tác cao với các phân tử dẫn suất. Ví dụ như Myoglobin gắn chặt vào một nhóm Hem khi chuỗi polypeptide của nó đã cuộn lại phần nào. Protein cũng kết hợp với các protein khác để tạo nên những sự xếp đặt thứ tự cao chẳng hạn như những sợi co giãn ở cơ. Việc gắn các phân tử lạvào protein kháng thể có thể làm cho sự miễn dịch phân biệt được giữa mình và không phải mình. Xa hơn nữa là, sự biểu hiện của nhiều gen bị kiểm soát bởi việc gắn của protein làm nhiệm vụ nhận dạng các thứ tự DNA đặc hiệu. Protein cũng có khả năng tương tác một cách đặc hiệu với một dẫy các phân tử vì chúng rất tài tình trong việc hình thành các bề mặt và các khe bổ cứu. Sự tinh tế của các chuỗi bên trên những bề mặt này và các khe hở có thể làm cho protein tạo được các liên kết hydrogen, liên kết tĩnh điện, liên kết Valderval với các phân tửkhác.

Như đã nhấn mạnh ở phần mở đầu của chương này, hầu hết tất cả các phản ứng trong hệthống sinh học đều được xúc tác bởi những protein được gọi là Enzyme. Bây giờ chúng ta sẽđánh giá một cách chính xác là tại sao protein lại giữ vai trò độc quyền trong việc xác định mẫu hình (pattern) của các vận chuyển hoá học hay khả năng xúc tác của các protein đi từ khảnăng gắn của chúng với các phân tử cơ chất trong những hướng chính xác và ổn định trong trạng thái quá độ (transidion) và sự bẻ gãy các liên kết hoá học. Nguyên lý cơ bản này có thểtính được cụ thể bằng một ví dụ đơn giản về sự xúc tác Enzyme, sự hydrat hoá của carbon dioxide bởi carbonic anhydrase

H2O + CO2 → CHO3- + H+

Carbonic anhydrase làm tăng tốc độ phản ứng lên trên 1.000.000 lần như thế nào? Phần kích thích tính phản ứng là do tác động của ion kẽm, nó phối hợp các nhóm imidazol của 3 gốc histidine trong Enzyme này. Ion kẽm định vị ở đáy của một khe sâu chừng 15A0 dưới bềmặt của protein. Gần kề là một nhóm của gốc nhận biết và gắn carbon dioxide. Khi nước gắn vào ion kẽm thì nó nhanh chóng chuyển thành ion hydroxide, đó là vị trí chính xác để tấn công vào phân tử dioxide carbon gắn tiếp vào nó (hình 1.24.). Ion kẽm này giúp cho sự định hướng CO2 cũng như cung cấp một lượng lớn OH-. Carbonic anhydrase cũng giống nhưnhững Enzyme khác, nó là một chất xúc tác cao bởi vì nó đưa cơ chất vào sự gần gũi không gian và làm thích hợp hướng của các phản ứng.



O

H

C

O

O

Zn++

His

His

HisO-

Zn++

His

His

His C O

O

H

Hình 1.24. Cơ chế phản ứng của carbon anhydrase. Ion hydroxide và carbon dioxide đã được sắp đặt một cách chính xác để làm thuận lợi cho việc hình thành bicarbonate bởi sự liên kết của chúng với Zn

2+.

Sự tái diễn khác của xúc tác là việc sử dụng các nhóm tích điện để phân cực cơ chất và làm ổn định trạng thái quá độ.

.

Hình 1.25. Sự tương tác Allosteric



Điều quan trọng và đáng chú ý nhất là một số protein có nhiều vị trí gắn, các vị trí này có sự thông tin với nhau. Sự thay đổi cấu trúc cảm ứng bởi việc gắn một phân tử vào một vịtrí trong một protein đã đẩy các vị trí lệch ra xa trên 20A0. Vì thế, protein có thể được xây dựng để hoạt động như những cầu giao phân tử (molecular swidch) để tiếp nhận, hợp nhất và truyền các tín hiệu. Nhiều protein có chứa các vị trí điều hoà gọi là vị trí allosteric kiểm soát việc gắn của chúng với các phân tử khác và làm thay đổi tốc độ phản ứng của chúng (hình 1.25). Ví dụ như, việc gắn oxygen vào nhóm Hem của hemoglobine là kết quả của sự thay đổi việc gắn H+ và CO2 ở các vị trí xa trong phân tử protein.

Sự kiểm soát allosteric trung gian bởi sự thay đổi cấu trúc trong phân tử protein là trung tâm của sự điều hoà trao đổi chất. Trong hệ thần kinh, protein kênh nhạy cảm với đa kích thích hoạt động như các cổng, giống như cổng trong chip của computer

Protein có 2 vị trí gắn có liên quan tới sự thay đổi cấu trúc làm cho nó có khả năng chuyển đổi năng lượng. Giả sử một protein có một vị trí xúc tác cho sự thuỷ phân adenosine triphosphate (ATP) thành (ADP) là một phản ứng cho năng lượng. Sự thay đổi từTriphosphate tới Diphosphate cảm ứng sự thay đổi vị trí xúc tác, chuyển vị trí gắn sang một vịtrí khác xa hơn trên cùng một protein. Như vậy, enzyme với chức năng như những mô tơ phân tử làm thay đổi năng lượng liên kết hoá học trong sự vận động trực tiếp như sự co cơ

7. Đặc tính lý hoá của protein

7.1. Protein tồn tại ở sinh vật ở trạng thái keo: Môi trường trạng thái keo của protein là nước. Tiêu chuẩn của hệ keo phụ thuộc vào kích thước hạt hoà tan (1-150mμ). Đặc tính của hệ keo là vừa có đặc tính lỏng (tốc độ phản ứng như môi trường lỏng) vừa có đặc tính rắn (có hình thể nhất định).

Protein là keo ưa nước vì protein mang những nhóm ưa nước (-NH2, -COOH, -OH). Keo protein có các đặc tính điển hình của keo ưa nước như: gây áp suất thẩm thấu thấp (30-40mmHg ≈ 0,03-0,04at); khả năng khuếch tán ít; độ nhớt cao; khả năng hấp phụ các chất rất cao, vì nó có cấu trúc phức tạp, diện tích tiếp xúc với môi trường so với khối lượng rất lớn nên protein có đặc tính này. Các chất mà protein hấp phụ có thể ở thể hơi, lỏng, rắn, chúng được liên kết với phân tử protein theo nhiều kiểu liên kết, liên kết này có thể bền nếu là liên kết hoá học hoặc không bền nếu là liên kết do sự hấp dẫn phân tử hoặc tĩnh điện. Điểm đáng chú ý là hiện tượng hấp phụ của protein không hỗn loạn mà có tính đặc trưng rõ rệt mà điển hình là các phản ứng huyết thanh miễn dịch (kháng thể chỉ kết hợp với kháng nguyên tương ứng). Hiện tượng trương nở của protein cũng có bản chất là hiện tượng hấp phụ, chất hấp phụở đây là nước (protein khô có thể hấp phụ tới 50% khối lượng nước so với bản thân chúng) và có khả năng khuếch tán ánh sáng, khi cho tia sáng đi qua dung dịch protein ta thấy được các tia khuếch tán, hiện tượng này gọi là hiện tượng tin đan.

7.2. Lưỡng tính và điểm đẳng điện: Keo protein là keo ở trạng thái mang điện, có thểdương hoặc âm. Điện tích trong hạt keo là điện tích phân ly của các gốc acid amin dư nhóm cacboxyl, nhóm amin. Điện tích này có thể dương hoặc âm, điều này phụ thuộc vào số lượng của các nhóm -COO- và NH3

+ trong phân tử protein.



NH2 COOH NH3+ COO-

⎜⎜⎜⎜ ⎜⎜⎜⎜ ⎜⎜⎜⎜ ⎜⎜⎜⎜

------------------- ------- > -------------------------- ⎜⎜⎜⎜ ⎜⎜⎜⎜

COOH COO-

Sự phân ly này còn phụ thuộc vào pH của môi trường. Trị số pH môi trường làm cho độphân ly của các gốc đó tiến tới bằng nhau để điện tích triệt tiêu thì giá trị pH đó gọi là điểm đẳng điện, kí hiệu là pI. Tại điểm đẳng điện hạt keo protein không bền, vì nó mất một yếu tốlà sức đẩy tĩnh điện. Điểm đẳng điện của đa số protein nằm ở vùng dưới 7, phía acid. Ví dụ: pI của casein là 4,7; albumin là 4,8; globulin là 5,4.

7.3. Hiện tượng mất nguyên tính và sa lắng: Protein tồn tại ổn định trong môi trường nhất định, khi môi trường thay đổi (pH và t0) làm ảnh hưởng tới cấu trúc bậc III, tới điện tích... thì một số tính chất của protein thay đổi như khả năng xúc tác của các enzyme bị giảm sút hoặc mất hẳn, trường hợp đó gọi là trường hợp mất nguyên tính.

Khi tác động của những yếu tố môi trường không sâu sắc hoặc quá nhanh thì phân tửprotein có thể trở lại trạng thái ban đầu (hoàn nguyên - khôi phục lại nguyên tính của nó). Nếu tác động của các yếu tố môi trường kéo dài và mạnh thì protein bị biến đổi tính chất mà phổbiến là cấu trúc bậc III hoàn toàn rối loạn, lúc đó một số thuộc tính của trạng thái keo bị mất như khả năng có điện tích, khả năng thuỷ hoá... và các phân tử protein tụ lại với nhau kết tủa và sa lắng.

7.4. Tính đặc trưng sinh học: Đây là sự khác nhau của các protein về mặt cấu trúc (trước hết là bậc I) và chức năng như tính đặc hiệu của enzyme, hiện tượng choáng do việc truyền máu, hiện tượng không dung hoà khi vá da hoặc cấy ghép mô... Các loại phản ứng này rất tinh vi và phức tạp. Tính đặc trưng sinh học này được di truyền chặt chẽ qua acid nucleic.

8. Phân loại protein

Theo tính toán của Pauling, trong một con người có khoảng 10 vạn loại protein khác nhau nên việc phân loại là phức tạp. Hiện nay người ta vẫn theo đề nghị của Hoppezaile và Dreczen việc phân loại protein là theo 2 lớp lớn là protein đơn giản (protein) và protein phức tạp (proteid). Protein đơn giản là loại protein mà thành phần cấu tạo chỉ có các acid amin. Protein phức tạp là loại protein mà thành phần cấu tạo chủ yếu là các acid amin, bên cạnh đó còn có các nhóm ghép không có bản chất acid amin

8.1. Protein đơn giản (protein): gồm 4 nhóm sau:

8.1.1. Albumin và globulin: Là những protein chức năng phổ biến ở máu và cơ. Chúng khác nhau về khối lượng phân tử, albumin khối lượng phân tử thấp hơn (2-7 vạn dalton), globulin 1 triệu dalton (1dalton = 1,66 x 10-24 gam).

Về chức năng: albumin gắn liền với quá trình dinh dưỡng, là nguyên liệu xây dựng mô bào, giữ áp lực thẩm thấu keo của máu, một phần liên kết với các chất khác để vận chuyển chúng như với vitamin, các acid béo, cholesterin, một số ion Ca, Mg.... Tiểu phần albumin chiếm 35-45% protein trong huyết thanh, tỷ lệ này phản ánh cường độ trao đổi chất của cơthể. Albumin được tổng hợp nhiều ở gan. Tỷ lệ và hàm lượng albumin trong máu phản ánh chế độ dinh dưỡng cao hay thấp và chức năng của gan.



Globulin chiếm phần lớn protein trong huyết thanh, nó bao gồm nhiều loại như α, β, γ-globulin, chúng có vai trò khác nhau trong cơ thể sống. Hai loại α, β-globulin được tổng hợp chủ yếu ở gan, chúng gắn liền với quá trình dinh dưỡng như albumin. Tiểu phần α-globulin liên kết với glucid và lipid tạo thành những phức hợp glucoproteid và lipoproteid, α-globulin còn liên kết với Hb khi hồng cầu bị vỡ, bằng phương pháp điện di người ta tách được α-globulin thành 2 tiểu phần α1 và α2-globulin, trong đó α2-globulin có chứa haptoglobin là yếu tố có liên quan tới Hb. Tiểu phần β-globulin có chứa transferin là yếu tố tham gia vào quá trình tạo máu cho cơ thể. Tiểu phần γ-globulin do tế bào lâm ba cầu B sinh ra, có vai trò đặc biệt quan trọng, là tổ hợp các kháng thể, tham gia vào quá trình miễn dịch của cơ thể. Đây là chỉ tiêu đánh giá khả năng chống bệnh, khả năng thích nghi của cơ thể. Người ta đã tách được 5 nhóm kháng thể có đặc tính miễn dịch khác nhau đó là IgG, IgA, IgM, IgD, IgE.

Chỉ số A/G (Albumin/Globulin) là chỉ số phản ánh tình trạng sức khoẻ, dinh dưỡng của con vật.

8.1.2. Histon và protamin: là loại protein kiềm tính pI = 8-13. Phân tử chúng chứa nhiều acid amin kiềm như Arg, Lyz, His...có nhiều trong nhân tế bào, gắn liền với DNA và giữ vai trò điều hoà hoạt động của DNA, với tính base cao tạo thành poly cation để cho polyanion là DNA bám vào.

8.1.3. Á protein (proteinoic): là protein của mô liên kết (gân, dây chằng, tóc, xương...) Đặc tính của chúng là tuy có cấu tạo thuần tuý từ các acid amin nhưng chúng không ở trạng thái keo (không hoà tan trong nước), cấu trúc thường ở dạng sợi hoặc bó. Đại diện của nhóm này là:

Colagen: là loại protein có chủ yếu ở mô liên kết, ở da, thành mạch quản, tỷ lệ colagen tăng là cho da nhăn nheo khi tuổi già. Ở t0 cao phân tử của chúng đổi sang dạng hồ, dạng gelatin.

Elastin: có nhiều ở mô liên kết gân, dây chằng, tỷ lệ tăng khi tuổi già, không tan trong môi trường nước nóng như colagen.

Keratin: là chất tạo sừng móng, lông, tóc, đặc tính là có dạng sợi.

Fibroin: là protein của tơ tằm

8.1.4. Prolamin và Glutelin: là protein có nhiều trong hạt ngũ cốc, thành phần không cân bằng nhiều acid amin Glu, Pro.

8.2. Protein phức tạp (proteid): gồm 5 nhóm sau:

8.2.1. Glucoproteid: là loại protein phức tạp, thành phần chủ yếu là các acid amin, ngoài ra còn có nhóm ghép là các loại đường hoặc dẫn xuất của đường. Lớp này có vai trò quan trọng trong cấu trúc màng, gây tính kháng đặc hiệu của màng như màng hồng cầu. Đại diện của nhóm này là:

Muxin: có ở dịch nhày (nước bọt, bao khớp) có tác dụng bôi trơn, giảm ma sát cơ học bảo vệ cơ quan, có nhóm ghép là mucoitin bao gồm glucozamin, acid glucoronic, H2SO4.



O

CH2OH

NH2

O

COOH

Glucozamin Acid glucoronic

Mucoid: là chất mềm của xương, sụn, có nhiều trong lòng trắng trứng.

Acid hyaluronic: là chất xi măng gắn các tế bào với nhau. Enzyme phân giải chúng là hyaluronidase có tính đặc hiệu theo loài.

8.2.2. Phosphoproteid: là những protein phức tạp, trong thành phần có chứa gốc phosphoryl, gốc này thường gắn với nhóm OH của Ser, Tre. Đại điện là chất caseinogen trong sữa, ovovidein trong trứng, là những protein có vai trò dinh dưỡng.

8.2.3. Lipoproteid: là loại protein phức tạp, có nhóm ghép là lipid, nó có đặc tính hoà tan trong nước, không hoà tan trong dung môi hữu cơ, thành phần còn có phospho. Vai trò của lớp này là nguyên liệu tạo nên các loại màng sinh vật. Sự phân bố giữa lipid và các phần protein trong màng có thể khác nhau từng loại màng. Nhờ đặc tính của lớp chất này làm cho màng có được tính thẩm thấu có chọn lọc đối với các hợp chất, thậm chí màng của ty lạp thểthẩm thấu chọn lọc cả với các điện tử và ion. Ngoài việc tạo cho màng tính thẩm thấu chọn lọc, lớp chất này còn tạo cho màng tính cách điện, dẫn điện một chiều...như màng trong của ty lạp thể là loại màng có tính dẫn điện một chiều, chỉ cho điện tử chuyển được qua màng, thông qua tính chất này tế bào hình thành được một hiện tượng là thế hiệu màng (gradien về điện tích), đây chính là cơ chế của quá trình tạo năng lượng cho cơ thể.

8.2.4. Cromoproteid: Là loại protein đông đào và chính chúng tạo cho sinh vật có mầu sắc. Nguyên tắc cấu tạo ngoài phần protein chúng còn có nhóm ghép, nhóm ghép này có bản chất khác nhau, chính nhóm ghép này tạo cho Cromoproteid có mầu sắc tương ứng như mầu đỏ của máu, màu đen của mắt... các màu sắc được hình thành vì nhóm ghép có chứa các ion kim loại: chứa sắt cho mầu đỏ, Mg màu xanh...

Một số Cromoproteid:

Hemoglobin (Hb) có ở máu, nhóm ghép là Hem

Mioglobin có ở cơ, nhóm ghép là Hem

Cytocrom có ở ty lạp thể, là thành viên của chuỗi hô hấp, nhóm ghép là Hem

Rodopxin có ở võng mạc mắt, nhóm ghép là vitamin A

Hemoglobin (Hb)

Là chất mầu đỏ của hồng cầu, hàm lượng trong máu ở cơ thể khoẻ mạnh từ 8-12g%, nó là chất vận chuyển khí giữa phổi và mô bào.



Về cấu tạo: Hemoglobin gồm protein là globin chiếm 94% + nhóm ghép là hem chiếm 4,6%, khối lượng phân tử 67.000 dalton. Hb có 4 tiểu phần:

2 tiểu phần ký hiệu là α mỗi tiểu phần có 141 acid amin

2 tiểu phần ký hiệu là β mỗi tiểu phần có 146 acid amin

Tổng số khoảng 600 gốc acid amin Mỗi tiểu phần có một nhóm hem, 4 tiểu phần này liên kết với nhau bằng cấu trúc bậc IV, được bố cục trong không gian thành hình tứ diện đều, đường kính 50A0. Trong một hồng cầu có khoảng 280 triệu phân tử Hb.

Phần globin của các tiểu phần α và β có sự khác nhau về cấu trúc bậc I và III. Sự khác nhau giữa các loại Hb trong một cơ thể cũng như giữa các loài là do sự khác nhau của globin mà chủ yếu ở tiểu phần β. Sự khác nhau này đã tạo khả năng cho Hb hấp thu được nhiều hay ít 02 trong phần chức năng của mình. Ở bào thai chuỗi β được thay bằng chuỗi γ tạo thành HbF, động vật lớn dần thì chuỗi β sẽ thay dần cho chuỗi γ. Động vật có hồng cầu hình lưỡi liềm tức là HbS đây là do tính đàn hồi của hồng cầu bị mất nên khi chúng đi qua các viti huyết quản có đường kính nhỏ hơn đường kính hồng cầu, chúng không trở lại dạng cầu được mà giữ nguyên trạng thái méo mó đó, từ đó ảnh hưởng tới chức năng của hồng cầu, gây nên chết sớm. Nguyên nhân sâu xa là do chuỗi β trong tổng số 146 acid amin có acid amin thứ 6 bị thay đổi, bình thường là acid amin Glu (tính acid), người bị bệnh là acid amin Val (trung tính) khác nhau một đằng là ưa nước, một đằng là kị nước dẫn đến tính đàn hồi bị mất.

Nhóm Hem: cấu tạo của nhóm hem ở các loại máu đều giống nhau, cấu tạo gồm 4 vòng pirol nối với nhau bởi 4 dây nối metyn (= CH - ), có 2 gốc vinyl (- CH = CH2), 4 gốc metyl (- CH3), 2 gốc acid propionic (- CH2 - CH2 - COOH), tạo thành protoporfirin. Hem là hợp chất sắt hoá trị 2 với protoporfirin. Nhóm hem nối với globin bởi các dây nối tĩnh điện, các dây nối này không bền nên hem dễ bị tách ra (hình 1.26).

Vai trò của Hemoglobin: Vai trò chính của hemoglobin là chuyển khí giữa phổi với mô bào:

Vận chuyển 02: 02 gắn với hem bởi các dây nối phụ (không thay đổi hoá trị). Sự liên kết này phụ thuộc vào áp suất riêng của 02. 02 ở phổi có áp suất riêng là 158mmHg, Hb tiếp thu 02; ở mô bào áp suất của 02 là 40mmHg, 02 được nhả ra dùng vào quá trình hoá sinh học.



Vận chuyển C02: ở mô bào phân áp C02 cao nó gắn với Hb qua các nhóm amin chót của hemoglobin thành dạng Cac-Hb:

R - NH2 + C02 ---------> R NH. C00H.

Sự vận chuyển C02 theo cách này chiếm khoảng 20%, còn 80% C02 liên kết với kiềm của huyết tương và hồng cầu thành những bicabonat như NaHC03, KHC03... tới phổi nó chuyển sang dạng acid cacbonic và thải ra ngoài:

NaHC03 + H+ ----------> Na+ + H20 + C02

Ngoài liên kết với 02 và C02, hemoglobin còn liên kết với các chất khác:

Hemoglobin dễ bị o xy hoá bởi các chất o xy hoá như K3 [Fe (CN)6], HN03... lúc này sắt chuyển sang hoá trị 3 tạo thành Met - Hb (Fe+3 - OH). Nếu đủ thời gian thì nhóm OH tự phân ly và sắt 3 sẽ chuyển về sắt 2.

Hemoglobin có ái lực rất mạnh với C0, chỉ cần nồng độ của C0 trong không khí lên 10% thì 95% Hb sẽ liên kết với C0 và cơ thể sẽ bị ngạt, lúc này sắt cũng chuyển sang hoá trị3.

Với HCN, KCN, Hb chuyển sang dạng xyanmet Hb (Fe+3 - CN), cơ thể cũng lúc này cũng bị nhiễm độc do ngạt.

Nhóm hem còn có trong Mioglobin của cơ, Mioglobin có 2 tiểu phần, là chất dự trữ O2

Hình 1.26. Sơ đồ cấu trúc của Hem



Về sắt: toàn bộ cơ thể người có 5 lít máu, tổng số sắt là 5g. Quá trình hấp thu sắt khá phức tạp nên khi hồng cầu vỡ, sắt được giữ lại.

8.2.5. Nucleoproteid: Đây là loại protein phức tạp, thành phần của nó gồm có protein là các protein kiềm tính như histon và protamin và nhóm ghép là acid nucleic.

Histon và protamin là những protein của nhân tế bào, nó thường gắn với DNA của nhân. Đây là những protein kiềm tính, cấu tạo của nó thường là các acid amin kiềm như Lyzin, Prolin, Histidin... cấu trúc phân tử của chúng tạo nên một polication để cho DNA là một polianion bám vào.

Yêu cầu sinh viên cần nắm được:

Khái niệm cấu tạo và chức năng của protein nói chung, của Albumin và Globulin, Glucoproteit, Lipoproteit, Hemoglobin

YÊU CẦU CẦN NẮM

CHƯƠNG I: PROTEIN CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG

Khái niệm cấu tạo và chức năng của protein nói chung, của Albumin và Globulin, Glucoproteit, Lipoproteit, Hemoglobin

Câu 1: Khái niệm và chức năng của protein Câu 2: Cấu trúc bậc I của protit? ý nghĩa sinh học của cấu trúc này? Câu 3: Thế nào là axít amin không thay thế? Viết công thức của những axít amin đó? Câu 4: Cấu trúc bậc III của protit? Mối liên quan giữa cấu trúc này với hoạt tính sinh học của protit? Câu 5: Cho biết đặc điểm, vai trò của albumin và globulin Câu 6: Đặc điểm cấu tạo và vai trò sinh học của Hemoglobin (Hb)? Câu 7: Cấu trúc, chức năng của γ- Globulin ?



CHƯƠNG II ACID NUCLEIC VÀ CƠ CHẾ DI TRUYỀN TẾ BÀO

1. Khái niệm:

Về mặt sinh học: Acid nucleic là chất mang các đặc tính di truyền của sinh vật, là bản mật mã di truyền chứa tất cả các thông tin di truyền. Ngoài ra còn có loại acid nucleic (RNA) tham gia vào quá trình truyền đạt bản mật mã sang dạng protein.

Về mặt hoá học: Acid nucleic là những polyme tự nhiên được cấu tạo từ các monome là các nucleotide.

2. Cấu trúc của Acid nucleic

Acid nucleic chia làm 2 loại là: DNA và RNA.

DNA: Desoxyribonucleic acid

RNA: Ribonucleic acid

Chúng là các polyme được cấu tạo từ các monome nucleotide.

2.1. Nucleotide

Nucleotide có 3 thành phần: Base nitơ, đường 5 carbon, và acid phosphoric. Ba thành phần này nhận được khi thuỷ phân nucleotide.

2.1.1. Base nitơ.

Hai loại Base nitơ được tìm thấy trong nucleotide là dẫn xuất của pyrimidine và purine dịvòng thơm. Purine là dẫn xuất của vòng pyrimidine và imidazole.

Mononucleotide Pyrimidine Purine

Cách đánh số của Châu Âu Cách đánh số của Mỹ

Ba se Pyrimidine: Base pyrimidine được tìm thấy trong nucleotide là:

Cytosine viết tắt là C: vị trí 6 có nhóm amin (NH2), vị trí 2 có nhóm OH.

Uracil viết tắt là U: vị trí 6 và 2 có nhóm OH, U chỉ có trong RNA.

Thymine viết tắt là T: vị trí 6 và 2 có nhóm OH, vị trí 5 có nhóm metyl -CH3, T chỉ có trong DNA

Các pyrimidine chính Cytosine Uracil Thymine (2-0ci-4-aminpyrimidine) (2,4-diocpyrimidine) (5-methyl-2,4-đĩoxypỷrimidine)

Phosphate

Base purine haypyrimindin



Base Purine: Hai base Purine chính tìm thấy trong Nucleotide là Adenine và Guanine, viết tắt là A và G.

Một số base purine hiếm như: 2-methylAdenine và 1-methyl-Guanine. Ngoài ra, một sốít base pyrimidine hiếm cũng được tìm thấy là 5-methylcytosine, 5-hydroxymethylcytosine.

Các tính chất của base purine và pyrimidine rất giống nhau. Chúng ít hoà trong nước và tồn tại ở dạng hỗ biến: nghĩa là có khả năng biến đôi giữa dạng lactim (dạng enol) và dạng latam (dạng ketone).

Tất cả các base purine và pyrimidine của acid nucleic hấp thụ rất mạnh ánh sáng tửngoại trong vùng bước sóng từ 260 đến 280nm. Khả năng hấp thụ cực đại ở bước sóng 260 nm. Tính chất này có ý nghĩa lớn để định tính và định lượng không chỉ các base tự do mà cảcác nucleoside, nucleotide và phân tử acid nucleic nguyên vẹn.

Các base purine và pyrimidine rất dễ phân tích và nhận biết bằng phương pháp sắc ký giấy hoặc sắc ký lớp mỏng

2.1.2. Đường Pentose.

Các Purine chính Adeninee Guaninee

(6-aminpurine) (2-amin-6-oxypurine)



Trong acid nucleic có chứa đường 5 carbon ở dạng β -D-furanose. Chúng được chia làm 2 loại là ribose và desoxyribose. Acid nucleic chứa desoxyribose gọi là desoxyribonucleic acid (DNA). Để phân biệt các bon của đường người ta thêm dấu phảy ở các vị trí của nó, ví dụ3’, 5’ là chỉ vị trí C số 3, số 5 của đường.

Đường ribose Đường desoxyribose

2.1.3. Acid phosphoric: trong nucleotide nó gắn với đường hoặc ở vị trí C5 hoặc ở vị trí C3 và có cách ghi chép tương ứng là 5/ - phosphate hoặc 3/ - phosphate.

Trong các nucleotide tự do H3P04 hay gọi là gốc phosphoryl bao giờ cũng gắn ở vị trí C5

với số lượng có thể từ 1,2,3 gốc, tương ứng có các hợp chất là mono, di, tri phosphate.

Cách đọc: Base purin có đuôi là ozin: adenine đọc là adenozin; guanine đọc là guanozin, ví dụ: adenine + pentose + H3P04 đọc là Adenozin mono phosphate.

Base pirimidin có đuôi là idin: Cytosine đọc là Cythydine; Uracil đọc là Uridine và Thymine đọc là thymidin, ví dụ: thymine + pentose + H3P04 đọc là Timidin mono phosphate.

Cách viết: Ví dụ1: Adenozin mono phosphate(AMP): đường gắn với base qua vị trí N số 9 của base, phosphate gắn với đường qua vị trí C số 5 của đường. Khi tồn tại ở dạng mono phosphat thì gọi là acid adenylic, nếu gắn với 2 gốc phosphate thì gọi là Adenozin di phosphate (ADP) nếu là 3 gốc phosphate thì gọi là Adenozin tri phosphate (ATP).

Ví dụ 2: Uridine mono phosphate: đường gắn với vị trí 3 của base, phosphate gắn với vịtrí 5 của đường. Tương tự ta cũng có các hợp chất UMP, UDP. UTP.

N

NN

N

NH2

O

HOH

HH

HH

O

HOH

HH

HH

NH

O

ON

H3C

AMP TMP

OP-O

O-

O

CH2OP-O

O-

O

CH2



Các nucleotide khi trước nó có chữ D là chỉ đường cấu tạo của nó là desoxyribose.

2.1.4. Nucleoside.

Khi nucleotide bị thuỷ phân làm mất gốc phosphate tạo thành nucleoside. Liên kết giữa các nucleoside là N-glycoside liên kết giữa các base purine và pyrimidine, trong đó nguyên tửcarbon 1’ của pentose liên kết với nguyên tử N3 của pyrimidine hay nguyên tử N9 của purine. Ribonucleoside có thành phần đường là D-ribose, và 2’-desoxyribonucleoside, có 2-desoxy-D-ribose. Tên của 4 nucleoside chính là adenoseine, guanoseine Cythydine, Uridine và 4 desoxyribonucleoside chính là 2’-desoxyadenoseine, 2’-desoxyguanoseine, 2’-desoxycididine, 2’-desoxythymidine.

Các nucleotide hoà tan rất nhiều trong nước, hơn cả các gốc base của chúng. Chúng cũng được phân tách dễ dàng bởi sắc ký lớp mỏng hay sắc ký giấy.

Nucleoside dễ dàng bị thuỷ phân khi đun nóng trong acid. Sản phẩm của sự thuỷ phân là các base ni tơ và các pentose tự do, các nucleoside pyrimidine bền hơn các nucleoside purine. Các nucleoside còn bị thuỷ phân bởi các nucleoseidase chuyên hoá.

Hai nucleoseine Adenoseine 2-Desoxyadenosein(q-ββββ-D-ribofuranoseilAdenine (q-ββββ-D-2’-desoxy-D-ribofuranoseilAdenine)



2.1.5. Nucleotide.

Nucleotide là ester của acid phosphoric và nucleoside. Acid phosphoric liên kết với nhóm OH tự do của pentose. Nucleotide tự do có vai trò rất quan trọng trong tất cả các tế bào. Chúng cũng được tạo thành khi thuỷ phân nhẹ acid nucleic, đặc biệt là bởi Enzyme nuclease. Nucleotide có 2-desoxy-D-ribose là desoxyribonucleotide, nếu có D-ribose được gọi là ribonucleotide. Trong nucleoside có 2 hoặc 3 nhóm OH tự do, nhóm phosphate có thể liên kết với những vị trí đó trên pentose. Trong trường hợp desoxyribonucleotide, acid phosphoric có thể ester hoá ở vị trí 3’ và 5’. Cả hai loại 3’- và 5’-desoxyribonucleotide đểu thấy ở các cơ thểsinh vật còn ribonucleotide thì nhóm phosphate có thể ỏ vị trí 2’, 3’ và 5’. Tất cả 3 loại ribonucleotide là sản phẩm của RNA, phụ thuộc vào điều kiện thuỷ phân, monophosphate vòng của Adenoseine cùng được tồn tại. Tuy nhiên, nucleotide dạng tự do trong tế bào có nhóm phosphate ở vị trí 5’ chiếm ưu thế. Vì vậy, các phản ứng Enzyme khi tổng hợp hay phân giải acid nucleic trong tế bào thì nucleoside-5’-phosphate là chất trung gian. Hình 2.1 là cấu trúc cơ bản và cách gọi tên của các ribonucleoside 5’-monophosphate chính (còn gọi là 5’-ribonucleotide) và desoxyribonucleoside-5’-monophosphate (còn gọi là 5’-desoxyribo nucleotide) thường còn có tên acid adenilic, acid guanilic, acid uridilic...)

Cấu trúc chung Cấu trúc chung

Adenine ribonucleoside Monophosphate Acid adenoseine 5’-phosphateric Acid adenoseine 3’-phosphateric Acid adenoseine 2’-phosphateric Acid adenoseine 3’, 5’-phosphateric (Acid adenilic; acid 5’-adenilic) (Acid acid 3’-adenilic) (Acid 2’-adenilic) (Acid adenilic chu trình)

Hình 2.1.Các ribonucleotide và desoxyribonucleotide chính Ribonucleoside 2' - desoxyribonucleoside

5' - monophosphate 5' - monophosphate



Bảng 2.1. Tên gọi và viết tắt của mono nucleotide

Tên Tên

Acid adenoseine 5’-phosphoric

(Aciddenilic; AMP)

Acid guanoseine 5’-phosphoric

(Acid guanilic; GMP)

Acid cytidin 5’-monophosphate

(Acid cytidilic; CMP)

Acid uridine 5’-phosphoric

(Acid uridilic; UMP)

Acid desoxyadenoseine 5’-phosphoric

(Acid desoxyadenilic; dAMP)

Acid desoxyguanoseine 5’-phosphoric

(Acid desoxyguanilic; dGMP)

Acid desoxycytidin 5’-phosphoric

(Acid desoxycytidilic; dCMP)

Aciddesoxythymidin 5’-phosphoric

(Acid desoxythymidilic; dTMP)

Các mono nucleotide có các base purine và pyrimidine nên hấp thụ ánh sáng mạnh ởbước sóng 260nm. Chúng dễ dàng được phân tách bởi các phương pháp sắc ký lớp mỏng, sắc ký giấy, sắc ký trao đổi ion.

Nhóm 5’-phosphate của các nucleotide dễ dàng bị thuỷ phân bởi acid. Ngoài ra enzyme 5’-nucleotidase cũng thuỷ phân được nhóm phosphate ở vị trí 5’, nhưng không phân giải liên lết N-glycoside.

2.1.5. Các nucleoside 5’-diphosphate (NDP) và 5’-triphosphate (NTP):

Các hợp chất của ribonucleoside và 2’-desoxyribonucleoside như 5’-diphosphate và 5’-triphosphate cũng được tìm thấy trong tế bào. Cấu tạo chung và viết tắt được giới thiệu ở hình 2.2.

Nhóm phosphate của hợp chất được ghi bằng ký hiệu .,, γβα Tất cả NTP và NDP đều có trong tế bào, có thể tách chiết bằng acid.

Viết tắt của Ribonucleoside 5’-phosphate

Base Mono -Di -Tri Adenine Guanine Cytosine Uracil

AMP GMP CMP UMP

ADP GDP CDP UDP

ATP GTP CTP UTP

Viết tắt của desoxyribonucleoside 5’-phosphate

Base Adenine Guanine Cytosine Thymine

dAMP dGMP dCMP dTMP

-Di dADP dGDP dCDP dTDP

-Tri dATP dGTP dCTP dTTP

Hình 2.2. Cấu tạo chung của nucleoside 5’-mono-, 5’-di-, và 5’-triphosphate (NMP, NDP và NTP) và các chữ viết tắt. Trong desoxyribonucleotide, pentose là 2’-desoxy-D-ribose.

Nucleoside 5’-monophophate (NMP)

Nucleoside 5’-diphophate (NDP)

Nucleoside 5’-triphophate (NMP)



NTP có nhiều chức năng quan trọng, ATP là chất mang năng lượng hoá học cơ bản trong tế bào, cung cấp vận chuyển các nhóm phosphate cao năng đến các quá trình đòi hỏi năng lượng. Dạng ADP và AMP được phosphoryl hoá thành ATP trong quá trình hô hấp. ATP-ADP là cặp cơ bản hoặc là “đường chính” vận chuyển phosphate trong tế bào. Ngoài ra các nguồn NTP khác cũng cung cấp năng lượng do liên kết phospho trong các phản ứng sinh tổng hợp.

Chức năng chính thứ 2 của NTP và NDP là các chất mang đặc biệt như Uridine diphosphate (UDP)- mang gốc đường trong tổng hợp polysacchacaride. Thí dụ Uridine diphosphate glucose nhường gốc glucose trong sinh tổng hợp của glycogen. Tương tự, Cytidine diphosphate choline chuyển Choline trong sinh tổng hợp phospho glicerol choline.

Uridine diphosphate Glucose Cytidine diphosphate choline (UDPG)

Chức năng chính thứ 3 của NTP là những tiền chất giàu năng lượng của các đơn vị nucleotide trong tổng hợp Enzyme của các DNA và RNA.

Trong các phản ứng này các NTP mất nhóm pyrophosphate, trở thành gốc nucleoside monophosphate của acid nucleic.

Ngoài ra NTP còn có thể chyển hoá thành nucleotide vòng như 3/, 5/ - AMP vòng; 3/, 5/ - GMP vòng, chúng có vai trò trung gian trong hoạt động của hormone với tế bào, chúng là các thông tin nội bào dưới tác dụng của hệ thống enzyme adenylacyclase hay guanylatcyclase. Mọi sự biến đổi của cơ thể để đáp ứng với ngoại cảnh cũng như với quá trình phát triển cá thể đều thông qua việc tác động đến tế bào mà kết thúc là làm thay đổi sự hoạt động của các enzyme trong tế bào, sự tác động này là thông qua nucleotide vòng.



3',5'-AMP vòng 3',5'-GMP vòng

2.1.6. Các mononucleotide khác.

Có nhiều mononucleotide quan trọng khác như nicotinamide mononucleotide và coEnzyme A, các base nitơ của chúng có liên kết β -N-glycoside ở vị trí 1’ của D-ribose. (Hình 2.3). Nicotinamide mononucleotide và flavinmononucleotide có nicotinamide và 7,8-dimethylizoallocaseine là các base nitơ. Acid nicotinic là vitamin cần thiết trong dinh dưỡng của người và nhiều động vật. Sự thiếu hụt nó là nguyên nhân của bệnh Pellaga gây chết người và bệnh lưỡi đen của chó.

Acidpanto

tenic

ββββ-ercatoetilamine

Nicotinamide ononucleotide (FMN)

`Nicotinamide

CoenzymeA

`Flavin mononucleotidee (FMN)

(riboflavin phosphate)

7-8-Dimethylizoalloasein

3’Phosphoadenose

ine diphosphate

(3’ P ADP)

Acid

pantotenic

ββββ - ecaptoethylamine

Acid nicotinic



Hinh 2.3. CoEnzyme mononucleotide. Chúng đều có vitamin tham gia

FMN có chứa alcohol D-ribotol, đường 5 carbon. Khác với D-ribose nó là coEnzyme oxy hoá khửquan trọng tham gia vào quá trình hô hấp. Vòng izoallocasein bị oxy hoá khử thuận nghịch. FMN cũng là tiền chất trong tổng hợp của flavin Adenine dinucleotide (FAD).

CoEnzyme A có Adenine liên kết β -glucoside với vị trí 1’ của D-ribose. Ở vị trí 5’ của D-ribose có nhóm acid pyrophosphoric, nó được ester hoá với hợp chất peptide.

Panthotenyl β -aminethantiol 8 β -mercaptoethylamine. Acid panthotinic là một vitamin của nhóm B, nó cần thiết trong dinh dưỡng của tất cả động vật có xương sống, chức năng của coEnzyme A là mang nhóm acetyl và acyl của acid béo, chúng được ester hoá thành nhóm thiol.

2.2. Dinucleotide.

Dinucleotide gồm có 2 đơn vị mononucleotide được nối với nhau bởi cầu acid phosphoric (hình 2.4). Phần lớn dinucleotide là sản phẩm của sự thuỷ phân acid nucleic bởi Enzyme. Như vậy trong dinucleotide cầu liên kết là phosphodiester giữa vị trí 5’ của D-ribose của 1 nucleotide với vị trí 3’- của 1 nucleotide khác. Có một số dinucleotide được biết trong đó nhóm phosphate giống với liên kết 3’, 5’- phosphodiester, chúng không nhận được từ acid nucleic mà tìm thấy ởdạng tự do trong tế bào. Thí dụ 3 coEnzyme oxy hoá-khử được hiểu biết đầy đủ nhất là nicotinamide Adenine dinucleotide (NAD), nicotinamide Adenine dinucleotide 2’-phosphate (NADP) và Flavin Adenine dinucleotide (FAD). Mỗi một coEnzyme có chứa adenoseine 5’-monophosphate; NAD và NADP luôn luôn có nicotinamide mononucleotidee (Hình 2.5).

Trong cả 3 Enzyme, 2 đơn vị mononucleotide được nối với nhau bởi liên kết anhydride giữa nhóm phosphate của chúng tạo thành cầu 3’,5’-pyrophosphate. NADP nhận được từNAD, nó được ester hoá bởi một phân tử acid phosphoric khác đến vị trí 2’ của Adenine mononucleotide. Chính NAD và NADP là coEnzyme trong hệ Enzyme phản ứng oxy hoá khử.

FAD gắn 1 phần tử của Adenine ribonucleotide và 1 của flavin mono nucleotide nối với nhau bởi liên kết anhydride giữa các nhóm 5’-phosphate của chúng. Chu trình izoallocasein của FMN và FAD oxy hoá khử thuận nghịch.

Hình 2.4. Cầu acid phosphoric (hay liên kết 3’,5’ phosphodieste) trong dinucleotide



2.3. Cấu trúc bậc I của acid nucleic: Đây là cách liên kết giữa các nucleotide lại với nhau thông qua liên kết phospho este để tạo nên chuỗi nucleotide. Liên kết phospho este là liên kết được hình thành nhờ sự liên kết giữa acid phosphoric của nucleotide này với các bon số 3 của pentose ở nucleotide bên cạnh. Như vậy phần base được tự do, đường và phosphate tạo thành dây nối. Ví dụ ta có đoạn nucleotide: A-X-U.

Hình 2.5Các coEnzyme dinucleotide Flavin Adenine dinucleotide (FAD)

Nicotinamide Adenine dinucleotide (NAD) còn được gọi là diphosphopyrimidine nucleotide (DPN). Nicotinamide Adenine dinucleotide phosphate (NADP) cũng được gọi là triphosphopyrimidine nucleotide (TPN), nó có 3 nhóm phosphate.

Trong NADP nhón OH này

được ester hoá với phosphate

Nicotinamid

e



N

NN

N

NH2

O

HO

HHHH

H2C

N

NH2

ON

O

HO

HHHH

PO

O-

O

OH

CH2PO O

OH

NH

O

ON

O

OHOH

HHHH

H2CPO O

OH

Đặc điểm của chuỗi:

Đầu chuỗi có một gốc phosphate tự do gọi là đầu 5/ - P. Cuối chuỗi có một gốc OH ở C số 3 của đường ở trạng thái tự do gọi là đuôi 3/ - OH.

Trong chuỗi nucleotide có đặc điểm quan trọng sau:

Thứ tự sắp xếp trước sau của các nucleotide (hay nói khác đi là của các base) là nền tảng của hiện tượng di truyền. Nó tạo nên tính đặc trưng sinh học của acid nucleic, từ đó quyết định cấu trúc di truyền bậc I của protein. Vì chỉ có 5 loại base, nếu xét từng loại acid nucleic thì chỉ có 4, mà acid nucleic là mã di truyền cho cấu trúc bậc I của protein, tức là phải mã được cho 20 loại acid amin, mà khả năng khác nhau lại chỉ có 4, vậy thì mâu thuẫn. Đểgiải quyết mâu thuẫn này nếu tổ hợp 2 nucleotide cho 1 mã thì ta có 42 = 16 khả năng, nhưvậy vẫn chưa được. Nếu tổ hợp 3 nucleotide cho 1 mã ta có 43 = 64 khả năng. Ý kiến này được Crik đề xuất và được Nirenberg và Mathei (người Mĩ) thực nghiệm (1964) nhờ sự tổng hợp được chuỗi poli U, từ khuân mẫu này và các nguyên liệu cần có đã tổng hợp nên một chuỗi peptide với toàn bộ là Phe-Phe-Phe... và bằng phương pháp thế người ta đã tìm được toàn bộ các mã cho 20 acid amin. Ví dụ AUG mã cho Met, UUA mã cho Leu... Bảng 2.2. Bảng mã sinh tổng hợp protein (bảng mã di truyền)

U C A G

U UUU Phe UUC Phe UUA Leu UUG Leu

UCU Ser UCC Ser UCA Ser UCG Ser

UAU Tyr UAC Tyr UAA UAG

UGU Cys UGC Cys UGA UGG Try

U C A G

C CUU Leu CUC Leu CUA Leu CUG Leu

CCU Pro CCC Pro CCA Pro CCG Pro

CAU His CAC His CAA Glu CAG Glu

CGU Arg CGC Arg CGA Arg CGG Arg

U C A G

A AUU ILeu AUC ILeu AUA ILeu AUG Met

ACU Tre ACC Tre ACA Tre ACG Tre

AAU Asp AAC Asp AAA Lys AAG Lys

AGU Ser ACC Ser AGA Arg AGG Arg

U C A G

G GUU Val GUC Val GUA Val GUG Val

GCU Ala GCC Ala GCA Ala GCG Ala

GAU Asp GAC Asp GAA Glu GAG Glu

GGU Gly GGC Gly GGA Gly GGG Gly

U C A G



Thứ tự các base trong cấu trúc bậc I quyết định tính đặc trưng sinh học của acid nucleic chủ yếu cũng tính theo bộ 3 này, hay nói khác đi mã di truyền được ghi dưới dạng những bộ 3 nucleotide. Những bộ 3 này gọi là codon (code: mã). Mỗi codon ứng với một acid amin. Các codon nằm trên chuỗi nucleotide trong phân tử acid nucleic theo trình tự liên tục không có ngắt quãng hay gọi là bản mã không có dấu phảy. Khi có sự đột biến thì mã di truyền thay đổi gây nên sự biến dị. Sự đột biến này có thể một nucleotide mất đi hoặc thêm vào chuỗi làm cho mã thay đổi dẫn đến sự thay đổi acid amin trong chuỗi peptide.

Ý nghĩa quyết định trong 1 mã là 2 base đầu, base cuối có thể thay đổi, nên 1 acid amin có thể có nhiều mã ( 64 mã) ví dụ AUX: ILue thì AU là quyết định, còn X có thể biến động, xem bảng mã (bảng 2.2).

Về số lượng nucleotide trong chuỗi khá biến động từ 30 đến hàng triệu nucleotid (bản đồ gen ở người là 30-40.000) nó quyết định độ dài và khối lượng phân tử của acid nucleic.

2.4. Cấu trúc bậc II của acid nucleic: Là cách gắn các chuỗi nucleotide với nhau thành những dạng xoắn kép kiểu xoắn thừng. Xoắn kép có thể xuất hiện giữa 2 chuỗi riêng biệt nhưDNA, hoặc trong phạm vi một chuỗi, nếu như dọc theo chuỗi có các base bổ sung nhau tạo được liên kết hydro.

Cấu trúc bậc II của DNA:

DNA đầu tiền được tách chiết từ bạch cầu và tinh dịch cá và được nghiên cứu kỹ bởi Friedrich Miescher người Đức từ 1869. Có rất nhiều nghiên cứu về acid nucleic từ khi phát hiện ra nó, song về cấu trúc của DNA thì mới được đề cập đến từ 1950.

Luật Chargaff: Trong phân tử DNA có Cytosine(C) và Thymine (T), không có Uracil (U)- Đường pentose là desoxypentose. Khi nghiên cứu hàm lượng các nucleotide trong DNA Chargaff (1953) đã nhận thấy các base nitơ có tỉ lệ xác đinh. Tính quy luật này gọi là luật Chargaff;

Tổng số gốc A = tổng số gốc T (Σ A=Σ T)

Tổng số gốc G = tổng số gốc C (Σ G=Σ C)

Có thể biểu diễn quy luật đó như sau:

Từ đó có thể thấy: Tổng các base purine (A+G)= tổng các base pyrimidine (T+C)

Tổng các base có nhóm 6-amin = tổng các base có nhóm 6-ketone. Nghĩa là:

Hình 2.6. Cấu trúc của DNA và RNA

DNA RNA Đầu 5'-P Đầu 5'-P

Đầu 3’ -OH Đầu 3’-OH



Tuy nhiên, ngoài những base chính, trong một số DNA còn có một lượng nhỏ base nitơmethyl hoá, chúng được tìm thấy trong DNA của virus.

Những ý kiến của Watson- Crik: Luật Chargaff cho thấy trong DNA, số Thymine bằng số Adenine, Guanine bằng Cytosine. James Waston và Francis Crick cho rằng Adenine bắt cặp với Thymine, Guanine với Cytosine. Các liên kết hydro được sinh ra giữa các cặp base đó. Kết hợp với ảnh nhiễu xạ rơnghen tinh thể DNA do Rosalin Franklin và Marince Wilkin nghiên cứu năm 1953, Watson và Crick đã đưa ra mô hình cấu trúc xoắn kép của phân tửDNA (Hình 2.7) và năm 1962, hai ông đã nhận được giải thưởng Nobel. Ý kiến của Watson- Crik thành những nguyên tắc sau:

1. Cấu trúc của DNA là 2 chuỗi xoắn lại kiểu xoắn thừng, hai chuỗi xoắn này đi ngược chiều nhau làm cho nó cuốn chặt với nhau hơn, ít bị ảnh hưởng của môi trường. Một chuỗi đi từ 5/- P đến 3/ - OH và một chuỗi đi từ 3/ - OH đến 5/- P.

Hình 2.7. Mô hình liên kết hydro trong các cặp base bổ sung của Watson và Crick.



Ngày nay người ta đã phát hiện được một số kiểu xoắn kép của DNA khác với mô hình của Watson Crick (Hình 2.9)

2. Hai chuỗi được củng cố bởi các base hướng vào bên trong của chuỗi và giữa các base ở hai bên có liên kết hydro xuất hiện để ổn định cấu trúc. Liên kết hydro này xuất hiện giữa N của amin với oxy của ceto của 2 base đối diện và giữa N1 của base này với N1 của base đối diện. Để thoả mãn điều kiện liên kết hydro này thì ở DNA chỉ có các cặp kiềm sau đây:

Adenine của chuỗi này liên kết với Thymine của chuỗi kia và

Guanine của chuỗi này liên kết với Cytosine của chuỗi kia.

Đặc tính Kiểu xoắn

B A Z -Chiều xoắn -Số gốc nucleotide 1 chu trình xoắn -Đường kính xoắn(A°°°°) -Khoảng cách 2 Nucleotide kể nhau(A°°°°) -Chiều dài 1 chu trình xoắn (A°°°°)

Phải 10

20

3.4

34

Phải 10.9

10.9

2.9

32

Trái 12

18

3.5-4.1

45

Hình 2.8 .Kiểu xoắn kép của DNA Mô hình xoắn kép phân tử DNA của Wastson và Crick

Các cặp base của 2 chuỗi polynudeotide liên kết với nhau

Hình 2.9. So sánh các dạng A, B và Z của

DNA. Có 24 cặp base trong 1 cấu trúc.

A B Z



3. Do cấu trúc của chuỗi xoắn kép có đường kính dọc theo phân tử là đều nhau và bằng khoảng 20 A0 do đó các base nối với nhau một bên là purin thì bên kia phải là pirimidin.

Các đôi kiềm nối với nhau theo nguyên tắc 2 và 3 gọi là nguyên tắc bổ sung gốc kiềm. Nguyên tắc này là nguyên tắc cơ bản của sinh học phân tử nó là nền tảng cấu trúc của DNA và là nền tảng cho bất kỳ một chuỗi kép nào trong acid nucleic nói chung (như các đoạn xoắn kép trong RNA), nguyên tắc này chi phối các quá trình sinh học chủ chốt nhất như quá trình nhân đôi DNA, quá trình sao chép và phiên dịch mã di truyền.

Ngoài liên kết hydro hai chuỗi còn được củng cố bằng các yếu tố khác đó là sự tương tác giữa các lớp base nằm chồng lên nhau như những chồng đồng xu (tạo nên lực Valderval).

Theo Watson và Crick, hai chuỗi polynucleotide của phân tử DNA tạo thành cấu trúc xoắn, cuốn xung quanh một trục. Mỗi chu kỳ xoắn có 10 nucleotide. Mỗi bước xoắn là 34A°, đường kính 20A°. Bộ khung của nó là một chuỗi phosphate-đường. Khoảng cách bên trong theo một kích thước nhất định. Trong khoảng cách này phân bố các base purine và pyrimidine để khi bắt cặp thì giữa Adenine và Thymine có 2 liên kết hydro, giữa Guanine và Cytosine có 3 liên kết hydro (hình 2.8).

Khác với kiểu A và B, ở kiểu Z các nguyên tử P sắp xếp trên phân tử theo dạng dích dắc. Ngoài ra người ta cũng giả thiết rằng kiểu B thích hợp cho quá trình tự sao chép DNA, còn kiểu A thích hợp cho quá trình sao chép. Ngoài các phân tử DNA xoắn kép phổ biến ở tếbào sinh vật, một số virus có cấu tạo DNA sợi đơn (hình 2.9).

Dạng tự nhiên của phân tử DNA: Sợi DNA có thể tồn tại ở các dạng sau:

Dạng xoắn kép sợi thẳng có các đầu 3’ và 5’ tự do. Dạng này gặp ở tế bào nhân chuẩn (Eucaryote), DNA thực khuẩn thể T7.

Dạng xoắn kép kín có thể có các kiểu sau:

Dạng xoắn kép 1 sợi như DNA thực khuẩn thể ϕ x174(Virus gây nhiễm ở Ecoli).

Dạng xoắn kép (2sợi): DNA của tế bào nhân xơ. DNA của virus động vật như polyoma, SV40, plasmid, DNA của ty thể, lục lạp. Có thể là DNA xoắn kép kín đồng hoá trị(Covalently closed cyclic duplec DNA). Không có đầu 3’ và 5’ tự do, hoặc DNA xoắn kép mở (open cyclic DNA), 1 trong hai sợi bị đứt 1 liên kết phosphodisete tạo thành đầu 3’ và 5’ tự do (hình 2.10). Dạng xoắn kép kín có thể vặn xoắn lại thành dạng siêu xoắn.

Hình 2.10. Các dạng cấu trúc của phân tử DNA (1) dạng mở, (2) dạng xoắn mở, (3) dạng siêu xoắn

(1) (2) (3)



Kích thước của phân tử DNA: Trong các tế bào nhân xơ (procaryote) có nhiếm sắc thểđơn, thực chất DNA là những đại phân tử có khối lượng 2 x109.

Ở vi khuẩn, phân tử DNA đơn chiếm khoảng 1% khối lượng của tế bào, tạo thành vùng nhân, nó thường gắn với nếp màng tế bào gọi là mezosome. Trong vi khuẩn không có Protein liên kết với DNA.

Trong nguyên sinh chất của vi khuẩn, thỉnh thoảng còn tìm thấy phân tử DNA ngoài nhiễm sắc thể, chúng nhỏ hơn nhiếm sắc thể, được gọi là plasmid hay epicom, có liên quan đến sự di truyền của DNA nhiễm sắc thể.

Với các tế bào nhân chuẩn lưỡng bội, gần như tất cả DNA ở trong nhân tế bào, nó được liên kết với protein kiềm là histon, nằm rải rác ở nhiễm sắc thể. Trong các tế bào nhân chuẩn còn có 1 lượng nhỏ DNA nguyên sinh chất, thường được gọi là DNA thứ yếu, chúng có hợp chất base và khối lượng phân tử khác với DNA nhân, như DNA trong ty thể chiếm khoảng 0,1-0,2% DNA của toàn tế bào. Một số lạp thể của các tế bào thực vật, đặc biệt là các lục lạp cũng có DNA riêng biệt.

Bảng 2.3: Kích thước DNA ở một số vi sinh vật.

Cơ thể Số cặp nucleotide (Kb) Chiều dài( mμ ) Virus: - SV 40 -Lamda Vi khuẩn: -Mycoplasma -E.Coli Sinh vật có nhân: - Nấm men - Người

5.1 48.6

760 4000

13-500 2-900 000

1.7 17,0

260,0 1 360,0

56 000,0 990 000,0

2.5. Cấu trúc bậc III và siêu cấu trúc:

Trong nhân tế bào DNA ở các tơ nhiễm sắc, 1 nhiễm sắc thể là 1 chuỗi kép nucleic, do đó phải có sự xoắn lại của nucleic cho gọn tức là nhiễm sắc thể là xoắn nhiều tầng của chuỗi xoắn kép. Trong nhiễm sắc thể có histon (protein đặc trưng cho nhân) đặc điểm của histon là kiềm tính, có thể coi histon là một poli cation, bản thân acid nucleic là 1 polianion làm cho histon gắn chặt với acid nucleic, có thể ví histon như lõi cuộn chỉ và DNA như sợi chỉ quấn vào tạo thành nucleoxom.

3. Phân loại acid nucleic

Dựa vào chức năng và cấu tạo người ta chia acid nucleic thành 2 lớp lớn: DNA và RNA, chúng khác nhau bởi một số điểm sau:

3.1. Thành phần cấu tạo: DNA có chứa T và đường desoxyribose, RNA chứa U và đường ribose. Tuy nhiên có một số ít DNA có chứa U và RNA có chứa T.

3.2. Về phân bố: DNA trong tế bào phân bố chủ yếu ở trong nhân, trong nhân TB nó ởdạng mở tức là chuỗi xoắn kép có hai đầu. Một phần rất nhỏ có ở ty lạp thể, ở đây DNA ởdạng xoắn kép kín tạo thành vòng nhẫn giống như ở VSV. Ở VSV đơn bào ngoài chuỗi xoắn



kép DNA chính còn có các chuỗi xoắn kép nhỏ có khối lượng phân tử khoảng 1 triệu dalton, gọi là thể plasmid đây là yếu tố kháng thuốc, nó có thể di truyền riêng và có thể chui sang tếbào khác kể cả tế bào động vật rồi mở vòng nhẫn gắn vào DNA của tế bào làm tăng gennom, khi ở đó nó có tên là epicom, từ epicom lại có thể tách ra thành plasmid. Gần đây gười ta đã phát hiện ra một chủng loại Retravirus (virus hồi qui) nó chính là plasmid tới một lúc nào đó nó hồi qui thành virus gây ung thư. Kỹ thuật gen hiện nay người ta có thể đưa bất kỳ 1 gen nào vào tế bào bằng cách đưa vào plasmid rồi từ plasmid đưa vào DNA của tế bào.

RNA chủ yếu là chuỗi đơn (trừ RNA của onconavirut là có xoắn kép) và phân bố chủyếu ở tế bào chất, trong nhân tế bào có m-RNA được hình thành trong quá trình sao chép mã di truyền rồi từ nhân ra tế bào chất kết hợp với riboxom để tham gia vào quá trình tổng hợp protein.

3.3. Về chức năng: DNA ở các sinh vật là vật chất chứa bản mật mã di truyền, còn RNA thực hiện việc truyền đạt bản mã di truyền trong quá trình sinh tổng hợp protein. Ở một số loài siêu khuẩn có chứa RNA là bản mã di truyền. Luồng thông tin di truyền được Crik đềra năm 1967, năm 1970 được Temin bổ sung như sau:

3.4. RNA ở tế bào động vật lại được chia làm 3 loại:

Có 3 loại acid ribonucleic trong các tế bào là RNA thông tin (m-RNA), RNA ribosome (r-RNA) và RNA vận chuyển (t- RNA). Mỗi loại RNA có khối lượng phân tử và tính chất base khác nhau. (Bảng 2.4)

Bảng 2.4: Đặc tính của RNA E.coli

Loại RNA Hằng số lắng Khối lượng phân tử Số gốc Nucleotide

% tổng sốRNA tế bào

m-RNA t-RNA r-RNA

63-25-3s 63-4s

5s 16s 23s

25 000-1000 000 23 000-30 000 23 000-35 000

23 000-550 000 23 000-1 100 000

75-3000 75-9s

75-100 75-1500 75-3100

2 16 82 82 82

Tất cả RNA này đều là 1 sợi polynucleotide. Ba loại RNA của các loài có phân tử khác nhau: RNA ribosome (tồn tại ở 3 loại chính); RNA vận chuyển (hơn 600 loại) và RNA thông tin (có hàng trăm hàng ngàn loại). Trong hầu hết các tế bào, RNA nhiều hơn DNA từ 5 đến 10 lần. Các tế bào vi khuẩn, gần như tất cả RNA tìm thấy trong nguyên sinh chất. Trong nhân tếbào gan có khoảng 11% tổng số RNA (phần lớn giàu m- RNA), gần 15% trong ribosome (phần lớn RNA) và khoảng 24% trong dịch bào tan (phần lớn t - RNA). RNA có trong cấu tạo của tất cả các virus thực vật, trong đó virus khảm thuốc lá được biết rõ nhất. RNA cũng được tìm thấy trong một virus của vi khuẩn như thực khuẩn thể Qβ của E.coli, và một số virus động vật như poliomyelidis.

ADN ARN Protein

ADN ARN Protein

( Crik, 1967)

(Temin,1970)



3.4.1. RNA thông tin (m-RNA) ( Messenger - RNA): Tỷ lệ loại này chiếm 2-3% trong tế bào. Nó được tổng hợp trong nhân tế bào với tư cách là những bản sao chép bản mã di truyền gốc là DNA tức là chuỗi phân bố 4 gốc kiềm trong m-RNA lặp lại một cách chính xác chuỗi phân bố 4 gốc kiềm trong DNA đối xứng đứng ra làm khuân mẫu, chỉ khác là T trong DNA được thay bằng U trong m-RNA.

Về cấu trúc của m-RNA khi mới được tổng hợp có cấu trúc như sau:

Intron

G7PPP --- CAP------ ------- -----------------polyA

Extron

Đầu 5’ của m-RNA có cấu trúc đặc biệt gọi là “mũ”(cap), cấu trúc này gồm 1 gốc G methyl hoá ở vị trí 7, ở vị trí 5’ của nucleotide này có 3 gốc phosphate (7m G5’ppp), gốc phosphate cuối cùng kết hợp với 5’ của nucleotide trước nó, base của nucleotide này là A( đôi khi là G), methyl hoá ở vị trí 2’ (Hình 2.11). Cấu trúc “mũ” này có vai trò làm tăng khả năng kết hợp giữa m-RNA với ribosome và ảnh hưởng đến quá trình phiên mã. Cấu trúc “mũ” cũng góp phần làm bền m-RNA, bảo vệ đầu 5’ của m-RNA khỏi bị Enzyme phân giải, đây cũng là nơi gắn protein điều hoà quá trình sao chép. Extron là đoạn có nghĩa, Intron là đoạn vô nghĩa. Đoạn poly A ở đầu 3’, đoạn poly A có khoảng 200 nucleotide Adenine, có thể có vai trò làm bền, bảo vệ m-RNA và điều hoà hoạt động phiên mã của m-RNA. Đoạn polyA là đoạn kết thúc giúp m-RNA qua màng nhân. Quá trình thành thục trước khi đưa ra tế bào chất các đoạn polyA và intron bị cắt bỏ. Codon đầu bao giờ cũng là AUG mã cho Met, codon kết thúc là UAG, UAA và UGA.

Liên kết pyrophosphate

Lớp 2 methyl hoá thỉnh thoảng bị methyl hoá)

7 - Methyl -Guanine Cap 0 methyl hoá

Liên kết 5', 5' - Triphosphate

Cap ethylhoá(thỉnh thoảng bị meyyl hoá)



Hình 2.11. 7-MethylGuanine ở đầu mũ 5’ tìm thấy ở hầu hết các m-RNA ở các sinh vật nhân chuẩn.

3.4.2. RNA ribosome (r-RNA).

r-RNA chiếm khoảng 65% trong riboxom và 80% tổng số RNA của tế bào. Có thể tách chiết r-RNA từ ribosome của E.coli bằng phenol, nó có dạng thẳng và phân tử sợi đơn, có 3 loại với hằng số lắng: 23s, 16s và 5s. Chức phận của chúng trong ribosome chưa rõ ràng, có thể chúng có vai trò cấu trúc là thành viên cấu tạo nên riboxom - một chiếc "máy' trong quá trình tổng hợp protein. Chúng có 4 loại Base chính là A,G,C và U. Một vài base bị methyl hoá.

Ở tế bào nhân chuẩn, trong ribosome có 4 loại r-RNA: 18s, 28s, 5.8s, và 5s. r-RNA của các Ribosome trong ty thể, lục lạp khác với r-RNA của Ribosome trong tế bào chất.

3.4.3. RNA vận chuyển (t-RNA) (trans RNA) còn gọi là s-RNA (RNA hoà tan): trong tếbào t-RNA chiếm khoảng 20% tổng số RNA, có vai trò vận chuyển có chọn lọc các acid amin đã được họat hoá tới khu vực sinh tổng hợp protein và định vị trí cho các acid amin trong chuỗi polypeptide thông qua phần anti codon (codon đối mã) trong cấu trúc của nó.

Khối lượng phân tử của t-RNA từ 23.000-30.000, hằng số lắng từ 4s -63s, có 75 đến 90 nucleotide. Mỗi một loại acid amin trong phân tử protein có ít nhất 1 t-RNA tương ứng vận chuyển nó, một số acid amin có nhiều t-RNA, thí dụ: Leucine, Serine trong E.coli có 5 phân tử t-RNA. t-RNA có thể tìm thấy ở dạng tự do hay “liên kết” với acid amin tương ứng. Dạng liên kết của t-RNA là do nhóm carboxyl của acid amin được ester hoá với nhóm 2’-OH hoặc 3’-OH của gốc acid adenilic cuối cùng ở đầu cuối 3’ của chuỗi polynucleotide của t-RNA.

t-RNA có nhiều base “thiểu số”, chiếm khoảng 10%. Các base này là những dạng được methyl hoá hoặc những dẫn suất của chúng. Trong t-RNA còn có những mononucleotide không bình thường như acid pseudouridilic và ribothymidilic. Acid pseudouridilic có liên kết glycoside ở vị trí 5 của Uridine, khác với vị trí 1 như thông thường. Acid ribothymidilic cũng không bình thường, vì thông thường thymine có trong DNA.

Ở đầu cuối 5’ của t-RNA có gốc acid guanilic, nhóm 3’-OH liên kết với nucleotide áp chót, nhóm 5’-OH liên kết với nhóm phosphate. Ở đầu 3’ của t-RNA luôn có 3 nucleotide:

Acid pseudouridilic Acidribothymidilic



CCA. Nhóm 5’-OH của gốc acid adenilic liên kết với gốc acid cytidilic trước, các nhóm vị trí 2’ và 5’-OH tự do. Cấu trúc chung của t-RNA có thể viết như sau:

5’-pG (pN)75-90 pCpCpC A-3’-OH.

NHóm 2’-OH và 3’- tự do của gốc acid adenilic cuối cùng trong phân tử t-RNA được ester hoá với α -acid amin bằng Enzyme, tạo thành dạng hoạt động hay dạng vận chuyển, gọi là aminoacyl t-RNA.

Gốc acid amin này được vận chuyển đến đầu cuối sinh trưởng của chuỗi peptide trên bềmặt ribosome.

Một nửa số nucleotide của phân tử t-RNA bắt cặp tạo thành những đoạn xoắn kép. Cấu trúc không gian của t-RNA có dạng hình chữ L (hay là hình cỏ ba lá) và chia làm 5 thuỳ (hình 2.12)



Thuỳ acid amin là đầu 3’- OH của t-RNA có 3 nucleotide CCA, là nơi liên kết với acid amin mà nó vận chuyển.

Thuỳ TψC luôn có 3 nucleotide là: Ribothymidilic, Pseudouridilic, và cytidilic, thuỳnày giúp cho t-RNA nhận biết riboxom đang hoạt động cần acid amin nào.

Thuỳ thêm có thể có hoặc không có trong các phân tử t-RNA khác nhau. Chức năng chưa rõ.

Hình 2.12. Cấu trúc hình cỏba lá của t-RNA



Thuỳ đối mã (anticodon) có chứa 3 nucleotide liên kết với 3 nucleotide mã (codon) trên m-RNA. Nó quyết định cho việc gắn acid amin vào trong chuỗi peptide theo nguyên tắc bổxung gốc kiềm.

Thuỳ G*GA luôn luôn có nucleotide dihydrouridilic, là nơi bám vào riboxom

4. Một số tính chất của acid nucleic.

Acid nucleic là những chất có màu trắng, không tan trong nước nhưng tan trong dung dịch muối. Dung dịch acid nucleic có độ nhớt cao, có hoạt động quang hoc. Acid nucleic tích điện âm nên trong điện trường di chuyển về cực dương.

Acid nucleic hấp thụ mạnh ở vùng ánh sáng tử ngoại có bước sóng 250-280nm, và hấp thụ cực đại ở 260nm. Sử dụng tính chất này để định lượng acid nucleic và xác đinh độ sạch của chế phẩm.

Khi đun dung dịch acid nuclieic lên 60-90°C, phân tử DNA xoắn kép bị tháo rời do các liên kết hydro giữa các base purine và pyrimidine bị phá vỡ. Độ hấp thụ ở bước sóng 260nm tăng lên. Sự tăng độ hấp thụ này gọi là hiệu ứng hypecrom. Nhiệt độ làm mất đi một nửa cấu trúc xoắn kép của phân tử DNA gọi là nhiệt độ “nóng chảy” viết tắt Tm (melting temperature). Các phân tử DNA giàu các base G-C có Tm cao hơn loại DNA giàu A-T.

Nếu dung dịch acid nucleic sau khi bị “nóng chảy”, được làm lạnh từ từ thì độ nhớt dung dịch giảm, đồng thời giảm khả năng hấp thụ ánh sáng ở bước sóng 260nm gọi là hiệu ứng hypocrom. Điều này biểu hiện khả năng phục hồi các liên kết hydro giữa các cặp base bổsung sau khi liên kết hydro của chúng bị phá vỡ.

DNA phản ứng với thuốc thử Fucsin tạo nên màu đỏ (Phản ứng Feulgen) phản ứng này được sử dụng trong hoá tế bào.

Để phân biệt DNA và RNA, dùng phản ứng với thuốc thử orcin với RNA có màu xanh đậm hơn DNA.

5. Phức hợp acid nucleic-protein.

Một số acid nucleic gắn với các protein đặc biệt tạo thành những phức hợp đặc biệt có những chức năng riêng. Trong đó chủ yếu là ribosome và Virus.

5.1. Ribosome.

Ribosome của các tế bào nhân xơ có 60-65 % r-RNA và khoảng 45-40% protein. Trong các tế bào nhân chuẩn có khoảng 50% r-RNA và 50% protein. Trong tế bào E.coli, Ribosome được tìm thấy ở dạng tự do trong nguyên sinh chất và chiếm khoảng 35% khối lượng khô của tế bào. Tế bào E.coli có khoảng 15.000 Ribosome, mỗi một Ribosome có khối lượng 2.6 kDa và đường kính là 180 A° (Hình 2.13). Các ribosome cũng được tìm thấy bên trong nhân tế bào và trong các cơ quan tử như ty thể và lạp thể. Nhiều Ribosome được hấp phụ thành chuỗi dài gọi là Polyribosome hay polysome, chúng là sự kết hợp giữa một số Ribosome với phân tửRNA thông tin.

Các ribosome của tất cả các tế bào được cấu tạo giống nhau và chứa r-RNA. Chúng có 2 tiểu phần có kích khác nhau (Hình 1.13) Ribosome vi khuẩn E.coli có hằng số lắng 70s, có các tiểu phần 30s và 50s (Khối lượng phẩn tử ~1 triệu và ~ 1.8 triệu) Tiểu phân 50s có phân tử r-RNA 23s, 5s, và 30 chuỗi polypeptide, tiểu phần 30s có phân tử r-RNA 16s và 20 chuỗi polypeptide. Ribosome trong nguyên sinh chất tế bào nhân chuẩn lớn hơn trong tế bào nhân



xơ, chúng hấp phụ trên lưới nội chất, hằng số lắng là 80s, đường kính 220A° khối lượng phân tử 4kDa có 2 tiểu phân 60s và 40s. Tuy nhiên kích thước các tiểu phần thường khác nhau giữa động vật và thực vật. r-RNA thực vật có loại 25S và 16S hoặc 18s, động vật có loại 26s và 18s. r-RNA 28s của động vật có kích thước khác nhau ở những loài khác nhau phụ thuộc vào mức độ tiến hoá như nhím biển là 1,4kDa và 1,75 KDa ở những động vật khác. Ribosome được ổn định trong dung dịch có nồng độ Mg+2 cao. Khi nồng độ Mg+2 giảm, các tiểu phần bịtách rời nhau.

5.2. Virus.

Virus có cấu trúc “ngưỡng cửa của sự sống”, là hợp chất siêu phân tử giữa acid nucleic và các tiểu đơn vị protein với sự sắp xếp 3 chiều. Virus có khối lượng hạt vô cùng lớn, chúng có thểđược tách chiết ở dạng đồng thể hoặc ở dạng kết tinh. Virus tách chiết ở dạng tinh sạch không có khả năng tái sinh. Tuy nhiên, khi hạt virus (cũng gọi là viron) phát triển bên trong tế bào vật chủ, nó có khả năng điều khiển sự sao chép riêng của mình. Acid nucleic vurus là phần nhiễm của hạt virus.

Cơ chế tổng hợp các phân tử của virus khác với các phân tử của các tế bào chủ bình thường. RNA của virus buộc ribosome tế bào vật chủ hoạt động như là khuôn cho sự tổng hợp các protein vỏ virus và các Enzyme cho sự sao chép các hợp chất khác của cấu trúc virus.

DNA của các virus như là khuôn cho sự sao chép các phân tử m-RNA bổ sung, nó lại chiếm đoạt bộ máy ribosome và tiến hành tổng hợp các Protein virus và các Enzyme cần thiết cho tổng hợp DNA virus. Các virus có kích thước, hình dạng và thành phần hoá học khác nhau (bảng 2.5). Trong một số virus, thí dụ virus khảm thuốc lá, chỉ tồn tại loại tiểu phần protein đơn. Những loại protein khác (thí dụ thực khuẩn thể T2 của Ecoli) có thể có nhiều loại tiểu đơn vị Protein vỏ hay capsid của virus được tạo thành nhóm các tiểu phần protein gọi là

Hình 2.13. Cấu trúc của Ribosome



Capsomere (đơn vị hợp thanh capsid). Acid nucleic của virus hay xảy ra sự methyl hoá các base

Bảng 2.5. Khối lượng, kích thước và hình thái của acid nucleic ở một số virus

Tên Khối lượng hạt (dalton)

Acid nucleic và số chuỗi

% acid nucleic

Hình dạng Chiểu dài (A°°°°)

Thực khuẩn thể Ecoli T2,T4,T6,

T7

φc174 λ

MS2 Virus thực vật khảm

thuốc lá Bushu stunt cà chua Gây chết lụi thuốc lá Virus động vật: Bại

liệt trẻ em Polioma (virus gây ung thư ở động vật

gặm nhấm) Adenovirus Đậu mùa

220 000 000 38 000 000 6000 000

50 000 000 3 600 000

40 000 000 10 600 000 1 970 000

6 700 000

21 000 000

200 000 000 2 000 000 000

DNA(2) DNA(2)

DNA(1hoặc2) DNA(2) RNA(1)

RNA(1) RNA(1) RNA(1)

RNA(1)

DNA(2)

DNA(2) DNA( `)

61 41 26 64 32

5 15 20

28

13.4

5 7.5

Nòng nọc Nòng nọc Nhiều mặt Nòng nọc Nhiều mặt

Que Nhiều mặt Nhiều mặt

Nhiều mặt

Nhiều mặt

Nhiều mặt Viên gạch

180 60

150 200 175

3000 280 210

300

450

700 2300

Hình 2.14: Ảnh kính hiển vi điện tử của các virus, sơ đồ virus khảm thuốc lá.

Các tiểu phân Protein

CổĐầu

Đuôi

Râu Hình 2.14 ảnh kinh shiển vi điện tử của Cấu trúc của

Thể th kh ẩ T i

0,1μ 0,1μ 0,1μ



Tất cả virus thực vật là loại RNA, có dạng hình que, xoắn kép, như virus khảm thuốc lá, hoặc có dạng 20 mặt như virus bushustunt có 60 caspomere (nhóm các tiểu phần protein) mỗi mặt có 3 tiểu đơn vị được sắp xếp theo kiểu đối xứng. Virus động vật có thể là DNA hoặc RNA. Mặc dù một số như virus polimelidis (gây bại liệt ở trẻ em) rất nhỏ, song hầu hết chúng đều lớn hơn virus thực vật. Virus vi khuẩn (gọi là thực khuẩn thể) là mẫu vật thích hợp đểnghiên cứu, vì chúng tiến hành sao chép một lượng lớn trong vi khuẩn và dễ tách chiết. Virus vi khuẩn quan trọng nhất là của các tế bào E. coli như thể thực khuẩn thể T2,T4,T6, T7 ϕx174 và λ. Cấu trúc của virus được nghiên cứu rất tỉ mỉ bằng kính hiển vi điện tử và sự nhiễu xạ tia x. Cấu trúc của 1 vài virus được giới thiệu ở hình 2. 14

6. Trao đổi acid nucleic.

Acid nucleic là vật chất di truyền của cơ thể sống, điều hoà quá trình sinh tổng hợp protein. Một số nucleotide là thành phần coEnzyme quan trọng. Vì vậy, nghiên cứu quá trình trao đổi acid nucleic có ý nghĩa đối với các cơ thể sống.

6.1. Sự phân giải acid nucleic (sự thuỷ phân acid nucleic)

Dưới tác dụng của nuclease, acid nucleic bị thuỷ phân tạo thành các mononucleotide và oligonucleotide. Ở động vật, acid nucleic bị thuỷ phân ở tá tràng dưới tác dụng của nuclease tuyến tuỵ. Ở niêm mạc ruột có diesterase thuỷ phân oligonucleotide thành mononucleotide.

Nuclease có thể chia làm 2 nhóm: Endonuclease và exonuclease.

a) Endonuclease: Cắt các liên kết diester bên trong chuỗi polynucleotide. Nó được chia làm 2 nhóm: Ribonuclease (RNAase) xúc tác phân giải RNA, Desoxyribonuclease (DNAase) xúc tác phân giải DNA.

b) Exonuclease: Xúc tác cho quá trình phân giải lần lượt từng nucleotide ra khỏi chuỗi polynucleotide.

6.1.1. Phân giải mononucleotide:

Các mononucleotide được hình thành khi phân giải DNA và RNA hoặc được sử dụng để tổng hợp lại acid nucleic, các hợp chất cao năng và các coEnzyme v.v... hoặc tiếp tục bịthuỷ phân dưới tác dụng của nucleotidase (phosphatease) có trong ruột tạo thành các nucleoside và acid phosphoric. Ở các mô gan, thận, lách có nucleotidase, các nucleoside bịthuỷ phân thành base nitơ và pentose.

6.1.2. Phân giải base purine và pyrimidine.

Phân giải purine: Sự thoái hoá các nucleotide purine được nghiên cứu kỹ. Adenine, nucleoside và nucleotide của nó có thể deamin hoá thuỷ phân dưới tác dụng của các Enzyme deaminase, adenoseine deaminase và adenilate deaminase tạo thành hypoxanthine, inoseine hoặc inoseine monophosphate tương ứng (hình 2.15) và nucleotide Guanine cũng phân giải tương tự dưới tác dụng của Guanine, guanoseine và guanylat deaminase tạo thành xanthine hoặc dẫn xuất ribose của chúng (hình 2.15)

Ở người và vượn người sản phẩn cuối cùng của sự phân giải này là acid uric, nó được thải ra ngoài cùng với nước tiểu, còn động vật khác, phần lớn hoặc hoàn toàn acid uric biến đổi thành allaintoin. ở động vật máu lạnh cá, lưỡng thể và trong nhiều động vật cổ, allaintoin phân li thành acid glyoxylic và urê.



Ở đa số thực vật, các base purine phân giải thành ure allaintoin và acid allantoic nhờ sựxúc tác của allatoicase, còn urê phân giải thành CO2 và NH3 dưới tác dụng của Urease.

Hình 2.15: Sự thoái hoá của purine ở mức độ nucleotide, nucleoside và basehypoxanthine, xanthine sau đó bị oxy hoá dưới tác dụng của xanthine oxydase tạo thành acid uric.

Phân giải pyrimidine: Sự phân giải nucleotide pyrimidine giống như nucleotide purine bao gồm dephosphoride hoá, deamin hoá và cắt liên kết glicoside. Nhiều phosphatease tác dụng lên nucleotide purine cũng tác dụng lên các dẫn xuất pyrimidine tương ứng, nucleotide pyrimidine bị thuỷ phân thành các base pyrimidine và đường, hoặc chúng có thể bao gồm cảsự cắt phosphrolytic cytosine, có thể deamin hoá bởi cytosine deaminase xảy ra ở nấm men và những vi sinh vật khác. Nucleoside cytidine bị phân giải thành nucleoside uridine bởi cytidin deaminase phổ biến ở các mô động vật cũng như ở vi khuẩn.

Adenine deaminase

Adenine deaminase

Poxathine

xanthine oxydase

Guanine deaminase

Guanine xanthine

xanthine oxydase



Con đường phân giải uracil và thymine ở các mô động vật bao gồm sự khử pyrimidine thành dẫn xuất dihydro, mở vòng để thành acid ureidoisobutilic tương ứng giải phóng amoniac và CO2 để tạo thành β-alanine hoặc dẫn xuất methyl hoá của nó (hình 2.17).

6.2. Sinh tổng hợp acid nucleic.

6.2.1. Sinh tổng hợp nucleotid purine

Ở cơ thể động vật có thể tổng hợp được purine và pyrimidine, nhưng đối với một số vi sinh vật để phát triển bình thường cần phải có một lượng purine và pyrimidine trong môi trường dinh dưỡng.

Nucleotide purine và pyrimidine có thể được tổng hợp mới từ những tiền chất như acid amin, NH3, CO2, acid formic. Bằng phương pháp nguyên tử đánh dấu người ta biết được nguồn gốc các thành phần cấu tạo nên nhân purine (hình 2.18).

Nguyên liệu ban đầu trong sinh tổng hợp purine là 5’-phosphoribozil –1- pyrophosphate (PRPP), (hình 2.19) nó nhận nhóm γ amin của glutamine để tạo thành 5- phosphoribozil amin (PRA). Dưới ảnh hưởng của Enzyme phosphoribozil pyrophossphate amidotransferase (amidophosphoribozil transferase).

Uracil Dihydro uracil acid ββββ - Ureidopropionic ββββ. Alanine

Thymine Dihydro thymine acid ββββ - Ureidoĩsobutiric Acid ββββ - amin izobutiric

Hình 2.17. Các con đường phân giải Uracil và Thymine



Hình 2.21: Sự tạo thành AMP và GMP từ IMP.

Glutamine Glutamate methyl

FormylGAF

Glutamine

Glutamat Glycine

Succino - Aicar Aspartate Carboxy AIR Focmyl GAM

Fumarate Formyl

AICAR Focmyl AICAR

+ GTP

+ Aspartate

Acid

denilsuccinic

Adenilo - Succinatlyase

Fumarate

NAD

ức chế bởi acidmicophenolic

xantosein 5' - phosphate (XMP)

Glutamine

GMP

Uracil --> Dihydrouracil - acid ββββ - Ureidopropionic --> ββββ -alanine

Thymine --> Dihydrothymine - acid ββββ - Ureidopzobutiric --> ββββ - aminizobutinic

Hình 2.20. Sinh tổng hợp nucleotid purin



Sau đó phản ứng với PRA tạo thành glycinamide Ribonucleotide (GAR) phản ứng tiếp theo bởi formin hoá từ acid N5, N10 - methyl-tetradrofolic thành formyl glycinamide ribonucleotide (formyl-GAR). Sau đó amin hoá nhận từ glutamine để cho formyl-glycinamide ribonucleotide (formyl-GAM), chu trình được đóng lại tạo nên hợp chất vòng imidazol là 5-aminimidazol ribonucleotide (AIR). Carboxyl hoá hợp chất này tạo thành acid 5-amin-imidazol-4-carboxylic ribonucleotide (cacboxy-AIR). Amide tương ứng là 5-aminimidazol-4-carboxamide ribonucleotide (AICAR) được tạo thành qua 2 phản ứng với hợp chất (hình 2.20).

Amin hoá IMP thành AMP tiến hành qua 2 bước với sự tạo thành hợp chất trung gian acid Adenine succinic (hình 2.21).

Trong phản ứng này nhóm amin của Aspartate được chuyển đến C-6 của IMP để tạo thành AMP.

Sự tạo thành GMP từ IMP cũng phản ứng qua 2 giai đoạn, trong đó xantoseine 5’-monophosphate (XMP) được tạo thành trước, sau đó là GMP (Hình 2.21)

Hai mononucleotide purine AMP và GMP bị phosphoryl hoá bởi kinase qua giai đoạn diphosphate cho ATP và GTP

AMP + ATP <---> ADP + ADP

GMP + ATP <---> GDP + ADP

ADP + ATP <---> ATP + ADP

GDP + ATP <---> GTP + ADP

Ngoài các con đường kể trên, các nucleotide còn có thể được tổng hợp từ các base purine kết hợp với ribose-1’- phosphate dưới sự xúc tác của nucleoside phosphoridase tương ứng để tạo thành các nucleotide và acid phosphoric. Các phản ứng này thuộc kiểu transglycosil hoá

Hypoxanthine + Ribose-1-phosphate <---> inosine + PVC

Guanine + ribose-1-phosphate <---> guanoseine + PVC

Các nucleotide được hình thành lại bị phosphoryl hoá với sự xúc tác của phosphokinase (phosphotransferase) tạo thành nucleotide tương ứng.

Adenoseine + ATP <---> AMP + ADP

Ngoài ra các purine tự do kết hợp vói PRPP dưới tác dụng của nucleotide pyrophosphate kinase (chuyển gốc phosphoriboseil) tạo thành các nucleoside 5’- P

Adenine + PRPP <---> AMP + PP (Pyrophosphate)

Guanine + PRRP <---> GMP + PP

Hypoxanthine + PRPP <---> IMP + PP

6.2.2. Sinh tổng hợp nucleotid pyrimidine



Khác với sinh tổng hợp nucleotide purine, chu trình pyrimidine được tổng hợp trước rồi kết hợp với ribose –5- phosphate. Bằng phương pháp nguyên tử ghi dấu đã xác định được nguồn gốc của các nguyên tố tạo nên pyrimidine (hình 2.22).

Sự tổng hợp UMP có hàng loạt các phản ứng Enzyme xảy ra tạo thành mononucleotide pyrimidine đầu tiên (Uridine 5’-monophosphate, UMP) được giới thiệu ở hình 2.23. Trước tiên là acid aspartic kết hợp với carbamoyl phosphate với sự xúc tác của carbamoyl transferase tạo

thành carbamoyl aspartate. Sau đó vòng pyrimidine được hình thành do dihydro-orotase tạo nên acid dihydro-orotic, tiếp tục dehydrogenase hoá tạo thành sản phẩm pyrimidine trung gian quan trọng là acid orotic. Dưới tác dụng của pyrophosphoridase, acid-orodic liên kết với gốc ribose-5-phosphate từ PRRP tạo nên Oridin 5’-monophosphate (OMP) và giải phóng pyrophosphate. Decarboxyl hoá OMP tạo thành Uridine 5’-monophosphate (UMP) là nucleotide pyrimidine đầu tiên .

Hình 2.22: Nguồn gốc các nguyên tử trong chu trình pyrimidine

Hình 2.23. Con đường sinh tổng hợp pyrimidine

Hình 2.23. Sự tạo thành pyrimidine.

UMP dưới tác dụng của kinase biến đổi qua uridine 5’-P (UDP) thành uridine 5’-triphosphate (UTP)

Sinh tổng hợp dẫn xuất cytosine.

Sự biết đổi uracil thành cytosine ở giai đoạn nucleoside triphosphate do Enzyme CTP syntheta xúc tác

Amoniac

Co2

Aspartate N

C

Glutamin

Carbamoyl Carbamoyl Dihydro-orotate Orotate phosphate aspartate

Orotidic5' - monophosphate

(OMP)



UTP + NH3 +ATP ---> CTP + ADP + PVC

6.2.3. Sinh tổng hợp desoxyribonucleotide

Sự biến đổi ribose thành desoxyribose xảy ra ở mức độ nucleotide, không làm đứt liên kết glycoside.

Ở E.coli sử dụng cơ chất là ribonucleoside diphosphate, ở Lactobacillus leichamnii sửdụng ribonucleoside phosphate và đòi hỏi Enzyme cobam. Sự hiểu biết về cơ chế biến đổi trong tế bào động vật không nhiều, nhưng hình như không cần cobamide và giống với E.coli.

Cơ chế sự biến đổi CDP thành dCDP trong Ecoli có hệ Thioredoxyn. Thioredoxyn là protein có chứa lưu huỳnh với 108 gốc acid-amin, nó được khử bởi NADPH dưới tác dụng của Thioredoxyn reductase. Thiredoxyn khử CDP thành dẫn xuất desoxy, nó tự loại oxy đến Thioredoxyn.

dUMP được hình thành bởi deamin hoá dCMP dưới tác dụng của dCMP deaminase. Con đương biến đổi đầy đủ từ UMP thành dUMP có thể như sau:

UMP ---> UTP ---> CTP --->CDP ---> dCDP ---> dUMP

Ở E.Coli khôngcó dCMP deaminase, dUMP được hình thành từ UMP bởi đường vòng sau:

UMP ---> UDP ---> dUDP --->dUTP ---> dUMD (Hình 2.24)

6.2.4. Sinh tổng hợp các dẫn xuất thymine.

Các bước cơ bản trong sự tạo thành nucleotide thymine là sự methyl hoá desoxyuridine monophosphate (d UMP) thành sản phẩm thymidine monophosphate (d TMP) (d UMP� d TMP) dưới tác dụng của Enzyme Thymidilate synthetase. Quá trình xảy ra qua một số giai đoạn. Nguồn cho nguyên tử carbon ở C-5 là acid N 5, N 10- methylen tetra hydrofolic, phản ứng như sau:

N5, N10-methylen tetrahydrofofate+ d UMP---> dihydrofolate + d TMP

Dihydrofolate lại tạo thành tetrafolate dưới tác động của hydrofolate reductase.

Sự tạo thành nucleoside triphosphate. PRPP Glutamine Aspartate Carboamoyl phosphate

Kháng Azaserin và acid folic

+ glicine + Glutamine + Aspartate

Carbo

Azaumaxil

Fluorodexi eridin

Kháng acid folic



Hình 2.24: Con đưòng phức tạp sinh tổng hợp desoxyribonucleoside triphosphate. Cơ chế sửdụng lại biểu thị bằng đưòng chấm. Hoạt động ức chế của một số chống phân giải bằng nét đậm.

Trong sinh tổng hợp DNA và RNA cần có các ribonucleoside 5’-triphosphate và desoxyribonucleoside 5’-triphosphate, chúng được hình thành từ các nucleoside monophosphate tương ứng bởi các Kinase thích hợp với sự có mặt của ATP. Ở giai đoạn này, các Kinase quan trọng là biến đổi thymidine thành triphosphate của nó (dTTP). Sự biến đổi này qua bậc thang phosphoryl hoá. Mỗi bước được xúc tác bởi một kinase riêng.

Thymidine ---> d TMP ---> d TDP ---> d TTP.

6.2.5. Sinh tổng hợp acid desoxyribonucleic (DNA).

Sinh tổng hợp DNA là quá trình sao chép chính xác phân tử DNA đầu tiên. Trên cơ sởmô hình phân tử DNA của Watson và Crick. Sự tái tạo DNA xảy ra bằng cách liên kết hydro giữa 2 chuỗi bổ sung bị đứt và tách rời nhau ra. Mỗi một chuỗi có khả năng kết hợp với các desoxyribonucleotide triphosphate tự do, tạo thành chuỗi polyribonucleotide mới khớp hợp với chuỗi ban đầu. DNA mới giống với DNA ban đầu về thành phần và trật tự các nucleotide .

Cơ chế sao chép bán bảo tồn.

Quá trình tự sao, một sợi giữ nguyên, một sợi mới được tổng hợp được gọi là cơ chế sao chép bán bảo tồn, điều này đã được Meselson và Stahl chứng minh bằng cách nuôi E.coli trong môi trường có nitơ đánh dấu 15 N (15 NH4Cl), DNA được tồng hợp chỗ chứa 15N. Sau đó nuôi cấy ở môi trường 14 N thì thấy DNA ở thế hệ thứ nhất là dạng lai, gồm một sợi 15 N và một sợi 14 N. Thế hệ thứ 2 có 50% DNA dạng lai và 50% dạng chỉ có 14 N (các băng của DNA tìm thấy bằng li tâm nồng độ CsCl) (Hình 2.25, 2.26)

Hình 2.25: Các băng DNA của thí nghiêm Meselson và Stahl.

Cơ chế của quá trình tự sao DNA.

Enzyme tổng hợp DNA. Năm 1956, Kornberg đã tách được Enzyme DNA polymerase từ E.coli. Enzyme này có khả năng xúc tác quá trình tổng hợp DNA từ các desoxyribonucleoside triphosphate. Sau đó người ta đã tách được Enzyme này từ vi khuẩn, thực vật và động vật.

DNA polimenase xúc tác sự tạo thành liên kết phosphodiester giữa nhóm 3’-OH ở đầu sinh trưởng của chuỗi DNA (mồi) và nhóm 5’-phophate của desoxyribonucleoside

Nhẹ hơn

Nhẹ

Trung bình

Nặng

Nặng hơn



triphosphate mới (hình 2.26) sự sinh trưởng theo chiều 5’-->3’. Trong quá trình này có DNA làm khuôn. DNA khuôn thực hiện nguyên tắc ghép đôi bổ sung: A-T, C-G (hình 2.27).

Các giai đoạn sinh tổng hợp DNA

Mở xoắn: dưới tác dụng của DNA derulase, xoắn kép DNA được mở có 1 loại protein SSB (Single StDNA Binding) gắn vào sợi đơn DNA để phân tử DNA luôn ở dạng mở.

Tổng hợp RNA mồi: Dựa vào khuôn sợi đơn DNA, một đoạn RNA mồi được tổng hợp vói sự xúc tác của RNA-polymerase.

Sự kéo dài sợi DNA: Sau khi có RNA mồi, RNA mồi sẽ tạo ra nhóm 3’-OH tự do, đểsau đó DNA polymerase bắt đầu hoạt động tái bản.

Mỗi một nucleoside triphosphate được ghép vào bằng liên kết phosphodiester ở C-5’, chiều tổng hợp là 5’---> 3’. Như vậy có 1 sợi được tổng hợp liên tục gọi là sợi hướng dẫn, còn sợi kia tổng hợp từng đoạn ngắn cùng với sự mở xoắn, gọi là sợi đi theo. Từng đoạn ngắn đó gọi là đoạn Okazaki (tên nhà bác học Nhật bản phát hiện chúng ở E.coli được công bố năm 1968). Ở E.coli đoạn ngắn này có hằng số lắng 8-10s, chiều dài 1000-2000 nucleotide, đoạn 10s có thể được tạo thành từ vài đoạn 3-5s. Ở tế bào động vật đoạn này ngắn hơn nhiều, nó có

khoảng 100-200 gốc nucleotide, hằng số lắng 4-5s. Ở giai đoạn này RNA mới được loại bỏbởi endonuclease, và đoạn đó được tổng hợp lại bởi DNA polymerase. Các đoạn Okazaki được nối với nhau bằng DNA-ligase (Hình 2.28; 2.29; 2.30).

6.2.6. Sinh tổng hợp acid ribonucleic (RNA).

(dNMP)n+dNTP PPdNMP nMg +⎯⎯ →⎯ +

+

1)(2

DNA Polimerase

DNA mồi

Hình 2.27. Sự sinh trưởng của DNA

Khu

ôn

Mồi

Hình 2.26. Cơ chế hoạt động của

DNA Polimerase



Sự biểu hiện thông tin di truyền là sự truyền tín hiệu từ DNA sang RNA. Nhìn chung, sợi RNA có thể hoàn toàn giống với sợi DNA chỉ khác là có nhóm hydroxyl ở vị trí 2’ và uracil thay bằng thymine, song RNA có cấu trúc đa dạng hơn DNA và kèm theo sự khác nhau về chức phận. Phân tử RNA không thể hướng dẫn và thông tin nhanh chóng di truyền như DNA, RNA còn có thể hoạt động như là chất xúc tác.

Sự phát hiện ra RNA còn có chức phận xúc tác đã làm thay đổi rất nhiều của từ“Enzyme”. Nhiều RNA là phức chất của protein, tạo nên cơ chế phức tạp với nhiều chức phận khác nhau.

Hình 2

Hình 2.28: Tái bản DNA Hình 2.30. Chạc ba tái bản

Hình 2. 30. Các đoạn Okazaki nối với nhau

RNA mồi

5’

Hình thành Tổng hợp Cắt rời RNA và 1 sợi RNA DNA mới thay thế bằng DNA

Hình 2.29. Khởi đầu tái bản RNA Polimenrase

5’ 5’

Điểm khởiđầu5’

Điểm khởiđầu

3’RNA polymerase phụthuộc DNA

mở xoắn

chuỗi DNA

Enzyme derulase

RNA mồi

Mỗi thứ 1

Mỗi thứ 2

Tổng hợp DNA bởi DNA - plimerase

RNA RNA mới mồi hình thành

Loại bỏ RNA mồi bởi endonaclease hình thành đoạn okaseki

Nối lại bởi

Ligase

Relicase

DNAliên kết protein (SSB)

Primenson

Primenson

Primase

Mồi

HoloEnzymeDNA Polymerase III

DNA Polymerase I

Ligase Sợi dẫn đường

Sợi đi theo



Tổng hợp RNA phụ thuộc DNA.

Ở sinh vật nhân xơ (procaryote) chỉ có 1 loại Enzyme RNA polymerase phụ thuộc DNA thực hiện sự sao chép.

Ở sinh vật nhân chuẩn (Eucaryote) có 3 loại RNA polymerase, mỗi loại có 1 chức năng riêng. Phân tử RNA được hình thành trong nhân, sau đó chuyển ra tế bào chất để hoạt động. Sự sao chép RNA chỉ thực hiên trên 1 sợi của DNA, hướng sao chép từ 5’-P -->3’-OH. RNA -Polymerase xúc tác tổng hợp RNA từ các ribonucleotide 5’-phosphate (ATP, GTP, UTP và CTP). Sự tăng trưởng sợi RNA bằng cách kết hợp các ribonucleotide ở đầu 3’-OH của chuỗi RNA

(MMP)n + NTP ---> (MMP)n+1 + PP

RNA Kéo dài RNA

Hình 2.31. Sự sao chép RNA

Sự sao chép chỉ xảy ra trên 1 sợi DNA làm khuôn, mỗi 1 nucleotide liên kết để tạo thành RNA mới được lựa chọn theo nguyên tắc cặp base bổ xung Watson-Crick. Uridine (U) trong RNA đối diện với Adenine (A) trong khuôn DNA, Adenine đối diện với Thymine, Guanine và Cytosine trong DNA đối diên với Cytosine và Guanine trong RNA mới.

RNA polymerase Tháo xoắn

Sợi không làm khuôn

Bong bóng phiên mã

RNA-DNA lai Sợi khuôn

Hướng phiên mã

Siêu xoắn âm Siêu xoắndương

Hướng phiên mã



Sợi DNA dùng để làm khuôn cho tổng hợp DNA gọi là xơi khuôn hay sợi trừ (-). Sợi

Khác với DNA polymerase, RNA polymerase không cần mầm để khởi đầu tổng hợp. Sựkhởi đầu tổng hợp ở 1 đoạn đặc biệt gọi là gen khởi đầu (RNA được tổng hợp vẫn có 5’-triphosphate) ở gốc GTP và ATP trong quá trình phiên mã). Trong quá trình phiên mã tạo thành đoạn xoắn kép giữa RNA và DNA khuôn gọi là đoạn xoắn kép lai RNA-DNA (hình 2.32a). RNA trong sợi xoắn kép này lại được tách ra khỏi DNA.

Sự tổng hợp RNA xảy ra trên một sợi DNA, nên sợi xoắn kếp DNA phải tháo xoắn, vùng tháo xoắn để phiên mã như là “bong bóng”. Ở E.coli vùng này khoảng 17 cặp base được tháo rời. Sự tháo DNA ở phía trước và cuộn lại ở phía sau. Quá trình này làm cho phân tửDNA quay đáng kể (hình 2.32 b), nếu quay về phía trước chuỗi là siêu xoắn dương, và nếu quay về phía sau là siêu xoắn âm. Ở E.coli sự phiên mã với tốc độ 50 nucleotide 1giây.

DNA bổ sung với sợi khuôn gọi là sợi không làm khuôn hay sợi cộng (+), các base của nó rất giống với RNA được phiên mã chỉ khác U thay T. Sợi không làm khuôn thỉnh thoảng còn gọi là sợi mã hoá (hình 2.33)

(5’) CGCTATAGCGTTT (3’) sợi DNA không làm khuôn (+)

(3’) GCGATAT CGCAAA (5’) Sợi DNA khuôn (-)

(5’) CGCUAUAGCGUUU (3’) RNA phiên mã.

Hình 2.33: Hai sợi bổ sung của DNA được xác định rõ chức phận trong phiên mã.

Cấu trúc và hoạt động của RNA polymerase.

Ở Ecoli RNA polymerase đơn phụ thuộc DNA tổng hợp các loại RNA khá lớn (KLPT: 390.000) phức chất Enzyme này có 5 tiểu đơn vị là lõi Enzyme và 1 tiểu đơn vị thứ 6 là δ(xích ma) hày δ 70 (KLPT: 70 000) nó liên kết tạm thời với một lõi và hướng dẫn Enzyme đến vị trí khởi đầu đặc biệt trên DNA, 6 tiểu đơn vị này tạo thành holoEnzyme RNA polymerase (hình 2.34)

Tiểu đơn vị

β’

α ω

β

α δ

Lõi Enzyme

TLPT: α - 36.500, β - 151.000, β’ - 155.000 ω - 11.000, δ - 70.000. Tiểu phần β được cho rằng là vị trí xúc táctổng hợp RNA

Hình 2.32: Sự phiên mã bởi RNA polymerase trong Ecoli.



Hình 2.34. HaloEnzyme RNA polymerase.

Yếu tố δ còn gọi là yếu tố khởi động (yếu tố mồi) gắn vào RNA polymerase để nhận biết mã (codon) khởi đầu sao chép. Khi bắt đầu sao chép nó sẽ tách rời yếu tố ρ (rô) còn gọi là yếu tố kết thúc. Khi kết thúc thì yếu tố ρ được giải phóng (hình 2.35). RNA polymerase trượt trên DNA để tổng hợp RNA theo hướng 5’-->3’. Đến vị trí kết thúc, yếu tố ρ gắn vào RNA polymerase để nhận biết mã kết thúc và yếu tố ρ được giải phóng, RNA polymerase tách khỏi sợi khuôn DNA.

Vùng khởi động.

Hình 2.36: 5 đoạn gen khởi đầu của E.coli, các đoạn gen này ở sợi mã hoá (không làm khuôn) và đọc từ 5’ →3’. Những vùng đệm số lượng nucleotide (N) có thể thay đổi.

Vùng –35 Vùng đệm

Vùng-10 Vùng đệm

Bắt đầu RNA

+1

Trp TTGACA 17N TTAACT 7N A tRNA+

Ty

rTTTACA 16N TATGAT 7N A

Lac TTTACA 17N TATGTT 6N A Rec A TTGATA 16N TATAAT 7N A Dra B,A,D

CTGACG 18N TACTGT 6N A



Đoạn chung

TTGACA TATAAT

Sự khởi đầu tổng hợp RNA trên phân tử DNA là vùng đặc biệt ở vùng đó phân tử RNA polymerase liên kết với DNA và được gọi là gen khởi đầu. Ở vị khuẩn gen khởi đầu là 2 đoạn ngắn với khoảng 10 và 35 cặp base (Hình 2.36) RNA được tổng hợp là +1. Các đoạn gen khởi đầu không giống nhau, nhưng cũng có nhiều nucleotide chung. Phần lớn các gen khởi đầu của E.coli và vi khuẩn ở vùng –10 (còn gọi hộp Pribonow) là (5’) TAAAT (3’) và ở vùng –35 là (5’) TTGACA (3’)

m-RNA luôn luôn tạo ra AUG khởi đầu, phía trước AUG có một đoạn không ghi mã cho protein nào cả, chỉ để gắn vào ribosome.

Hình 2.37: Các giai đoạn trong sự khởi đầu phiên mã bởi RNA polymerase E.coli –RNA polymerase liên kết với gen khởi đầu cần phải 2 giai đoạn: Sự tạo thành của phức hệđóng và mở – Tổng hợp RNA thông tin hầu như luôn luôn bắt đầu với nucleotide purine (Pu) – N là nucleotide bất kỳ.

RNA polymerase Gen khởi đầu

RNA polymerase hình thành phức hợp đóng ở vùng -35

Polymerase di chuyển đến vùng - 10 DNA được tháo ra tạo thành phức

Sợi khuôn

Bắt đầu tổng hợp RNAm

Nucleotide triphosphate purine

NTP

PP ∞∞∞∞

Tiểu phần ô tách ra khỏi polumerase vượt qua khởi đầu




CHƯƠNG II: ACID NUCLEIC VÀ CƠ CHẾ DI TRUYỀN TẾ BÀO Khái niệm về acidnucleic, vai trò của các nucleotit tự do. Cấu trúc bậc I bậc II của acidnucleic. Phân loại acidnucleic

Câu 1: Công thức của ATP? Vai trò của ATP trong hoạt động sống của động vật? Câu 2: Trình bày cấu trúc bậc I của axít nucleic? Codon, Anticodon là gì? Vai trò sinh học của cấu trúc này? Câu 3: Nội dung nguyên tắc bổ xung gốc kiềm trong chuỗi xoắn kép của axít nucleic? ý nghĩa sinh học của nguyên tắc này? Câu 4: Phân loại axit nucleic



CHƯƠNG III

ENZYME VÀ XÚC TÁC SINH HỌC

1. Khái niệm

Enzyme là những chất xúc tác sinh học, do cơ thể sống tổng hợp nên. Chúng xúc tác cho các phản ứng hoá sinh, Nhờ có Enzyme mà các quá trình hoá sinh xảy ra rất nhạy, với tốc độ rất nhanh trong những điều kiện sinh lý bình thường (nhiệt độ cơ thể và pH môi trường mô bào).

Enzyme có ở mọi sinh vật, trong tế bào sinh vật và là động lực của mọi quá trình sống. Hay có thể nói Enzyme là những chất mà dưới tác dụng của chúng các phản ứng hoá sinh được thực hiện rất nhanh chóng với nhịp điệu, trình tự hết sức rõ ràng chính xác trong quá trình trao đổi vật chất (TĐVC) của cơ thể. Sống là TĐVC mà TĐVC là tổ hợp của hàng loạt những phản ứng hoá sinh phân giải hoặc tổng hợp. Mỗi phản ứng như vậy được thực hiện rất nhanh chóng có khi hàng nghìn lần trong giây với nhịp điệu và trình tự hết sức rõ ràng vì mỗi phản ứng đó được thực hiện bởi một Enzyme đặc hiệu.

Lịch sử Enzyme đã có từ lâu. Ngay từ đầu thế kỷ 19 đã có những nghiên cứu ghi nhận sự hiện diện của chất xúc tác sinh học – Enzyme trong quá trình tiêu hoá ở nước bọt, dạ dày và ruột. Năm 1850, Pasteur đã nhận định quá trình lên men được một yếu tố xúc tác là ferment. Sau này yếu tố trên được gọi thống nhất là Enzyme. Năm 1897 người ta đã chứng minh chính dịch chiết của Enzyme chứ không phải toàn bộ tế bào nấm men có khả năng lên men đường thành rượu. Đó là bằng chứng về sự tham gia của bản thân Enzyme trong quá trình lên men. Năm 1926, lần đầu tiên Sammer đã thu được tinh thể Enzyme Urease. Năm 1930 Northrop thu được tinh thể Pepsin và Trypsin.

Trong giai đoạn cuối của thế kỷ 20, các nghiên cứu trong lĩnh vực này được tập trung vào vai trò xúc tác của Enzyme trong quá trình trao đổi chất của tế bào. Việc tinh sạch được hàng nghìn Enzyme và nhờ vậy đã làm sáng tỏ các cấu trúc không gian và chức năng xúc tác của nhiều Enzyme khác nhau.

Ngày nay Enzyme càng được sử dụng rộng rãi trong y học, công nghệ vi sinh, nông nghiệp, chế biến thực phẩm và cả trong lĩnh vực mỹ phẩm.

2. Bản chất của Enzyme

Enzyme là protein vì chúng có cấu tạo từ các acid amin với các cấu trúc bậc I, II, III, IV như protein và chúng cũng có đầy đủ các tính chất vật lý hoá học của protein như đặc tính keo, điểm đẳng điện, hiện tượng sa lắng... và cũng bị phá huỷ bởi các yếu tố nhiệt độ, acid, kiềm mạnh như protein.

Enzyme là một lớp protein đông đảo có ở khắp nơi trong giới sinh vật, chúng phân bốtrong cơ thể cũng đa dạng, có Enzyme phân bố trong tế bào chất, là thành phần cấu trúc của màng, trong ty lạp thể, trong màng ty lạp thể, có loại cố định, có loại di động được như trong máu, trong sinh dịch...

Ngoại trừ một nhóm nhỏ phân tử RNA có hoạt tính xúc tác, còn tuyệt đại đa số Enzyme đều có bản chất protein và sự thể hiện hoạt tính xúc tác phụ thuộc vào các bậc cấu trúc từ I đến IV của phân tử protein cũng như trạng thái tự nhiên của nó.

Enzyme có khối lượng phân tử thay đổi rất rộng từ 12.000 Dal đến hàng triệu Dal.



Một số Enzyme thể hiện hoạt tính xúc tác không cần sự có mặt của các yếu tố khác ngoài phân tử protein, đó là những Enzyme đơn giản.

Ngược lại, ở những Enzyme phức tạp, ngoài phân tử protein còn có thêm nhóm ghép là CoEnzyme. Phần CoEnzyme có bản chất rất khác nhau nhưng trước hết và đông đảo hơn cả là dẫn xuất của các vitamin rồi đến các ion kim loại hoá trị 2 như Fe+2, Mg+2,Mn+2, Zn+2Co+2... Các ion kim loại này đóng vai trò cofactor hoặc cần sự có mặt và phối hợp tác động của các phức hữu cơ hoặc phức hữu cơ - kim loại làm yếu tố đồng Enzyme.

Người ta gọi phần protein của Enzyme là apoEnzyme (hay apo-protein), còn các yếu tốkhác gọi là nhóm ngoại Prosthetic và phức chứa đầy đủ cả 2 yếu tố được gọi là Enzyme hoàn chỉnh (HoloEnzyme).

3. Trung tâm hoạt động của Enzyme:

Trung tâm hoạt động của Enzyme là nơi tiếp xúc giữa Enzyme với đối tượng tác động của nó (tức là cơ chất ), là nơi Enzyme thực hiện phản ứng. Trung tâm hoạt động được hình thành thông qua cấu trúc bậc III của phân tử protein Enzyme, thông qua đó một số gốc acid amin bình thường nằm xa nhau trong cấu trúc bậc I có thể được phân bố lại gần nhau, phối hợp với nhau để thực hiện chức năng xúc tác của Enzyme. Ở các Enzyme phức tạp thì do các gốc acid amin đó kết hợp với nhóm ghép tạo nên.

Ví dụ trung tâm hoạt động của chimotrypsin của tuyến tuỵ, ít nhất là bao gồm gốc serin ở vị trí 195 và gốc histidin ở vị trí 57. Những gốc này tuy xa nhau về cấu trúc bậc I nhưng lại gần kề nhau về cấu trúc không gian khi Enzyme chimotrypsinogen được hoạt hoá bởi Entero-kinase (hình 3.1).

Hình 3. 1. Mô hình cấu trúc của Enzyme chimotrypsinogen, sự hoạt hoá Enzyme này là Entero-kinase của tuyến ruột

Các gốc acid amin thường tham gia vào trung tâm hoạt động là Cys với nhóm -SH, Ser, Tyr, Tre với nhóm - OH; Lys, Arg với nhóm -NH2, Glu, Asp với nhóm –COOH, His với nhóm imidazole. Khi Enzyme có thêm nhóm ghép tức là coEnzyme thì coEnzyme phân bốngay ở trung tâm hoạt động.

Cũng cần chú ý rằng có những Enzyme có một trung tâm hoạt động, nhưng cũng có những Enzyme có hai hoặc nhiều trung tâm hoạt động, ví dụ alcol dehydrogenase gan có hai trung tâm hoạt động, còn alcol dehydrogenase của nấm men có tới bốn trung tâm hoạt động.



Có thể coi trung tâm hoạt động là phần quyết định trong hoạt động của Enzyme nên mọi tác động có ảnh hưởng tới Enzyme trước hết là ảnh hưởng tới trung tâm hoạt động như hiện tượng ức chế, hoạt hoá...Các chất tác dụng có thể làm tăng cường hoạt độ của Enzyme thì người ta gọi là chất hoạt hoá, nếu làm giảm hoặc tê liệt hoạt độ của Enzyme thì gọi là chất ức chế. Những chất này có thể tác dụng thẳng vào trung tâm hoạt động của Enzyme như một sốion kim loại: Cu++, Zn++, Mn++, Mg++, Co++, Ca++... có tác dụng hoạt hoá Enzyme do các ion này tham gia trực tiếp vào trung tâm hoạt động để vận chuyển điện tử hoặc tạo thành cầu nối giữa cơ chất và Enzyme. Một số chất có tác dụng ức chế Enzyme như KCN, ditrec... chúng có thể phóng bế hoặc bịt kín trung tâm hoạt động của Enzyme

Các yếu tố ảnh hưởng tới trung tâm hoạt động:

Nhiệt độ: là biểu hiện nội năng của vật chất, biểu hiện sự chuyển động nhiệt của các ion. Nhiệt độ thích hợp để các Enzyme hoạt động tốt là nhiệt độ của thân nhiệt (37-40 0C). Nhiệt độ cao quá làm cho chuyển động nhiệt của các ion tăng quá mạnh làm đứt các dây nối, phá vỡ cấu trúc bậc III, do đó Enzyme bị tê liệt hoặc bị phá huỷ hoàn toàn. Nhiệt độ thấp quá (0 0C) phân tử không chuyển động, sự va chạm giữa Enzyme với cơ chất giảm làm cho hoạt tính của Enzyme giảm hoặc mất hẳn. Tác động của nhiệt độ chưa sâu sắc thì Enzyme có thểphục hồi như khi nhiệt độ không cao quá hoặc thấp quá. Nhiệt độ tăng ở mức thích hợp thì có tác dụng kích thích hoạt động của Enzyme (sốt nhẹ).

Giá trị Kcat của tuyệt đại đa số Enzyme gia tăng khi nhiệt độ môi trường của phản ứng gia tăng cho đến khi đạt giá trị xác định thì không tăng nữa và sẽ giảm hoạt tính xúc tác khi nhiệt độ tiếp tục tăng. Nhiệt độ mà ở đó Enzyme đạt giá trị hoạt tính cực đại gọi là nhiệt độ tối ưu của Enzyme.

Độ pH: Mỗi Enzyme có một vùng pH hoạt động tốt nhất của mình, ngoài vùng đó hoạt độ của Enzyme bị giảm sút hoặc mất hẳn. Bản chất của sự ảnh hưởng này là do nồng độH+ thay đổi đã ảnh hưởng đến sự phân ly của các gốc tạo nên cấu trúc bậc III của Enzyme, ảnh hưởng tới sự phân ly, phân cực giữa Enzyme và cơ chất... có nghĩa là pH ảnh hưởng tới pKa của các nhóm ion chức năng của Enzyme, cũng như cơ chất. Mỗi Enzyme có một pH tối ưu ví dụ: Chymotrypsin là 8,0; Trypsin là 2,0 v.v…

Tác dụng dị lập thể (Allosteric): là một trong những kiểu tác dụng để điều chỉnh

Hình 3.2. Sơ đồ về kiểu tác dụng dị lập thể. Khi gắn một phân tử tín hiệu vào một vị trí trong Enzyme dẫn đến sự thay đổi cấu trúc của nó, từ đó thay đổi hoạt tính của Enzyme



hoạt độ của Enzyme. Một số chất tác động không trực tiếp vào trung tâm hoạt động mà vào một vị trí nào đó của Enzyme làm cho cấu trúc bậc III của nó thay đổi chút ít, từ đó hoạt độcủa Enzyme thay đổi, nó có tính chất điều chỉnh hoạt độ của Enzyme, điển hình kiểu tác động này là cách tác động của các hormone (hình 3.2).

4. Chất phối hợp của Enzyme (cofactor).

Nhiều Enzyme trong quá trình xúc tác lại đòi hỏi phải có sự phối hợp của một chất hữu cơ gọi là coEnzyme hay nhóm phụ, nhiều trường hợp đòi hỏi phải có kim loại tham gia vào cơchế xúc tác. Những chất hữu cơ đặc hiệu và các ion kim loại có vai trò như vậy được gọi là chất phối hợp hay chất cộng tác (Cofactor). Các chất cộng tác khi kết hợp vào phân tửEnzyme đã bổ sung khả năng phản ứng và khả năng xúc tác cho phân tử Enzyme. Thiếu các chất này thường Enzyme không hoạt động được. Các chất hữu cơ có thể gắn chặt vào phân tửEnzyme hoặc cũng có thể chỉ kết hợp lỏng lẻo, xu thế hiện nay muốn gọi chung là coEnzyme.

CoEnzyme thường hoạt động với số lượng rất nhỏ so với cơ chất và thường sau mỗi phản ứng có thể trở lại trạng thái ban đầu để tiếp tục tham gia phản ứng. Như vậy coEnzyme thực sự tham gia vào cơ chế xúc tác. Tuy nhiên, một số coEnzyme tham gia phản ứng giống như những chất tham gia phản ứng khác, cho nên theo quan niệm động học cũng như về cơchất, những coEnzyme này có thể đựơc coi là những cơ chất thông thường. Nhưng nếu coEnzyme nào đó gắn chặt vào Enzyme bằng liên kết đồng hoá trị thì hiển nhiên nó chỉ đóng vai trò trong cơ chế xúc tác mà thôi.

Số lượng coEnzyme tương đối ít, một coEnzyme có thể phối hợp với nhiều loại Enzyme, ví dụ NAD+, NADP+ có thể phối hợp với nhiều Enzyme khử hydro (Dehydrogenase). Nhiều chất chuyển hoá trung gian cũng mang những đặc tính của coEnzyme như acid Ascorbic, glucose –1-6-diphosphate.v.v.

Về cấu trúc hoá học, nhiều coEnzyme có cấu trúc của một nucleotide đơn hoặc đôi hoặc một phần cấu tạo của nó là nucleotide, một số coEnzyme là những nhóm Hem. CoEnzyme có liên hệ chặt chẽ với các vitamin (bảng 3.1). Cơ thể động vật bậc cao có khả năng tổng hợp các coEnzyme từ các vitamin. Những coEnzyme thường gặp là những chất cộng tác của những Enzyme oxy hoá khử và những Enzyme vận chuyển nhóm.

Các coEnzyme oxy hoá khử gồm 5 nhóm là: Nicotinamide, Flavin, Quinone, Metaloporphyrin và nhóm Protein –sắt. Các nhóm này khác nhau về thế năng oxy hoá khử, vềsố điện tử được vận chuyển trong quá trình chuyển từ dạng khử sang dạng oxy hoá. Ba nhóm đầu trao đổi ion Hydro và điện tử, các phản ứng do chúng xúc tác đều thuộc loại vận chuyển Hydro. Hai nhóm sau chỉ trao đổi điện tử và các phản ứng do chúng xúc tác thuộc nhiều loại khác nhau. Thế năng oxy hoá khử của loại này thay đổi rất nhiều, tuỳ thuộc vào các phân tửprotein mà chất cộng tác gắn vào.

Các coEnzyme vận chuyển nhóm chia thành hai nhóm chính:

Nhóm một bao gồm CoEnzyme A, acid Lipoic và S-adenosyl-methionine. Phần hoạt động chính của các phân tử nhóm này là một nguyên tử lưu huỳnh, nguyên tử này có khảnăng chứa 10 điện tử ở lớp ngoài cùng, có vai trò như cái túi hút điện tử, do đó làm tăng khảnăng ion hoá nguyên tử Carbon liên kết với nó.



Nhóm thứ hai gồm Biotin, Thiamine pyrophosphate, Pyridoxal phosphate và acid Folic. Tác dụng của những chất này chủ yếu là nhờ một hệ thống liên hợp bao gồm một dị nguyên tử. Với tác dụng của dị nguyên tử, bộ phận của coEnzyme được ion hoá thành anion. Sự ion hoá này tạo ra giai đoạn mở đầu quá trình phản ứng.

Chúng ta hãy xem xét một số CoEnzyme sau đây:

Bảng 3.1. Mối liên quan của một số vitamin với CoEnzyme

CoEnzyme nicotinamide.



Trong loại này thường gặp 2 chất chính là Nicotinamide Adenine Dinucleotid (NAD+ ) và Nicotinamide Adenine Dinucleotide phosphate (NADP+). Hai coEnzyme này có trong tất cả mọi tế bào. NAD+ thường nhiều hơn NADP+ khoảng 10 lần.

Hai coEnzyme này tham gia vào những phản ứng oxy hoá khử do các Dehydrogenase xúc tác. Các Enzyme này rất đặc hiệu với NAD+ hoặc NADP+. Một số Enzyme có thể hoạt động với cả hai coEnzyme nhưng mức độ đặc hiệu với từng coEnzyme thì khác nhau. NAD+

thường tham gia các phản ứng oxy hoá khử để cung cấp năng lượng cho cơ thể. Còn NADP+

thường tham gia vào các phản ứng sinh tổng hợp.

Các phản ứng có sự tham gia của các coEnzyme này thường là những phản ứng liên quan tới liên kết đôi giữa carbon và oxy, giữa carbon và nitơ và trong một số trường hợp là giữa carbon và carbon.

Cơ chế hoạt động của hai coEnzyme này giống nhau: Trong quá trình oxy hoá khử, nhân niconamide trực tiếp tham gia phản ứng, carbon ở vị trí thứ 4 có khả năng nhường hoặc nhận một nguyên tử Hydro, phần còn lại của coEnzyme là để kết hợp vào Enzyme. Trong phản ứng này, một nguyên tử hydro của cơ chất đã gắn lên nhân nicotinamide, còn một nguyên tử hydro khác xuất hiện trong môi trường dưới dạng proton vì điện tử của nó đã kết hợp vào nhân nicotinamide và trung hoà điện tích dương này (hình 3.3).

CoEnzyme flavin.

Hình 3.3. Cấu tạo phân tử và cơ chế hoạt động của coEnzyme Nicotinamide



Hình 3.4. Cấu tạo phân tử của FAD và cơ chế hoạt động của coEnzyme Flavin

Loại này thường gặp hai chất quen thuộc là Flavin mononucleotide (FMN) và Flavin –Adenine – Dinucleotide (FAD). Các Enzyme kết hợp với coEnzyme flavin dưới tên chung là flavoprotein. Ngoài tác dụng vào liên kết giữa carbon với một dị nguyên tử như S, O, N … các Enzyme flavoprotein còn tác dụng vào nhiều loại liên kết khác.

Cơ chế tác dụng: Các phản ứng khử xảy ra qua hai bước: Bước thứ nhất –một nguyên tử hydro được gắn lên N1 của flavin và làm giảm đi một liên kết đôi, nhân này mang một điện tử độc thân ở N5, điện tử này được giữ ổn định là do đặc tính cộng hưởng cao của nhân ; Bước 2 –một nguyên tử hydro nữa được kết hợp vào N5 và tạo nên coEnzyme dạng khử (hình 3.4).



CoEnzyme quinone.

CoEnzyme này được gọi là coEnzyme Q hay Ubiquinone. Trên thực tế có hàng loạt coEnzyme quinone đều là dẩn xuất của benzo-quinone và đều có một liên kết nhánh dài gồm nhiều gốc terpen. Liên kết nhánh này của mỗi chất khác nhau (số n terpen khác nhau).

CoEnzyme Q ở loài động vật có vú thường có liên kết nhánh dài tới 10 gốc terpen gọi là coEnzyme Q10 (n=10). Tất cả những chất này là những coEnzyme oxy hoá khử. Các chất này tham gia vào quá trình oxy hoá khử giữa những Dehydrogenase và Cytocrom b trong chuỗi hô hấp tế bào của ty thể. Vitamin K và E được xếp vào loại chất này (hình 3.5).

Hình 3.5. Cấu tạo phân tử và cơ chế hoạt động của coEnzyme Quinone

CoEnzyme hem.

Nhiều Enzyme cần sự cộng tác của nhóm Hem. ví dụ: Hệ thống Cytochrome, Catalase, Peroxidase. Vai trò chủ yếu của các coEnzyme này là vận chuyển điện tử nhờ khả năng biến đổi thuận nghịch của sắt giữa trạng thái Fe2+ và Fe3+.

Dạng khử Dạng Oxy hoá.

CoEnzyme A (CoASH).



Hình 3.6. Cấu trúc phân tử CoEnzyme A.

Cấu tạo của coEnzyme này gồm có một gốc 3’,5’diphosphoadenosine liên kết với một phân tử 4- phosphopantethein. Phần pantethein có nhóm thiol (-SH) hoạtđộng. CoEnzyme này vận chuyển nhóm acyl (gốc acid) và tham gia vào phần lớn các phản ứng ngưng tụ với các phân tử acetate hoặc acid béo khác để tạo ra những chuỗi carbon dài hơn. Trong phản ứng này acid béo phải được gắn vào coEnzyme A qua liên kết thioester giữa nhóm carbonyl của acid béo và nhóm thiol của coEnzyme A. Trong dẫn chất đồng hoá trị này, do tác dụng của nguyên tử lưu huỳnh, các điện tử được phân bố lại và do đó các nguyên tử bên cạnh dễ dàng ion hoá và tạo cho gốc acyl một hoạt tính mới, nghĩa là gốc acyl được hoạt hoá. Sự hoạt hoá này có thể xảy ra ở nhóm carbonyl (hoạt hoá đầu) hoặc ở nhóm methyl cuối cùng của gốc acyl (hoạt hoá đuôi) (hình 3.6).

S- Adenosine methionine.

Methyl hoá là một phản ứng rất quan trọng và methionine là chất cung cấp nhóm methyl quan trọng nhất.

Nhóm methyl trong methionine được kết hợp bằng liên kết thioester có thế năng vận chuyển rất thấp, vì vậy quá trình vận chuyển nhóm methyl phải qua một giai đoạn hoạt hoá trung gian bằng cách gắn một phân tử adenosine (của ATP) vào nhóm methionine. Trong dạng kết hợp này, nguyên tử lưu huỳnh của methionine trở thành ion sulfonium có tác dụng hoạt hoá nhóm methyl, chuẩn bị cho phản ứng vận chuyển nhóm methyl đến chất tiếp nhận (hình3.7). Hình 3.7. Cấu trúc phân tử S-Adenosine methionine



CoEnzyme lipoic (acid lipoic)

hất này tham gia vào phản ứng khử hydro của acid pyruvic và một số ít phản ứng cùng loại. lipoic được gắn chặt vào phân tử Enzyme bằng liên kết amide giữa nhóm carboxyl của nó và nhóm amin tận cùng của lysine (của Enzyme). Phần hoạt động của coEnzyme này là một liên kết disulfide (S-S). Liên kết này có thể mở ra hoặc kết hợp với các phần tử của một phân tửchất hữu cơ, một nguyên tử lưu huỳnh liên kết với hydro và nguyên tử lưu huỳnh thứ hai liên kết với carbon. Trong phức hợp multiEnzyme của quá trình khử carboxyl oxy hoá acid pyruvic, coEnzyme này có vai trò phối hợp chặt chẽ với coEnzyme Thiamine pyrophosphate

Hình 3.8. Acid lipoic và cơ chế hoạt động phối hợp với TTP



(TPP), nhóm aldehyde (được tạo thành sau khi tách CO2 khỏi acid pyruvic) được chuyển từTPP đến coEnzyme lipoic, một nguyên tử lưu huỳnh mang hydro và một nguyên tử lưu huỳnh thứ hai mang nhóm acetyl. Như vậy acid lipoic vừa là coEnzyme vận chuyển nhóm vừa là coEnzyme oxy hoá khử, nó hoạt động như một cánh tay di động của phức hợp đa Enzyme (hình 3.8).

CoEnzyme thiamine pyrophosphate.

Thiamine pyrophosphate đóng vai trò coEnzyme trong một loạt các phản ứng phân cắt liên kết carbon – carbon ở sát nhóm carbonyl, nói chung là của acid α cetonic. Vị trí xúc tác chủ yếu của coEnzyme này là carbon thứ hai của nhân thiazol. Carbon ở vị trí này được khu trú ở giữa nguyên tử S và nguyên tử N có liên kết đôi và mang điện tích dương, nên rất dễ ion hoá thành carbanion ái nhân (hình 3.9).

CoEnzyme pyridoxal phosphate.

CoEnzyme này là dẫn chất phosphoryl hoá của vitamin B6, thành phần cấu tạo có nhân pyridin mang nhóm aldehyde ở vị trí para. Nhóm này là bộ phận trực tiếp hoạt động của coEnzyme. Tuỳ theo từng điều kiện cụ thể, coEnzyme này tham gia vào các phản ứng vận chuyển nhóm amin, phản ứng khử carboxyl hay phản ứng cắt gốc R của acid amin (hình 3.10).

Hình 3.9. Cấu trúc phân tử CoEnzyme Thiamine Pyrophphate



CoEnzyme biotin.

CoEnzyme này gồm có một nhân dị vòng Tetrahydrothiophen gắn liền với một gốc ureido và một liên kết bên là acid valeric. Biotin thường được kết hợp vào apoEnzyme bằng liên kết amide giữa nhóm carboxyl của nó và nhóm NH2 của lysine (của apoEnzyme). Liên kết bên của coEnzyme cùng với lysine của apoEnzyme tạo nên một liên kết thẳng dài 14A0 di động rất dễ dàng trong qúa trình xúc tác.

Biotin là coEnzyme tham gia vào các phản ứng vận chuyển nhóm carboxyl, quá trình này gồm hai bước: Bước 1- nhóm CO2 được gắn vào N1 của biotin tạo nên carboxybiotin. Bước 2 –biotin chuyển nhóm carboxyl đến một cơ chất khác và cơ chất này được carboxyl hoá (hình 3.11).

Hình 3.10. Cấu trúc phân tử và cơ chế hoạt động của coEnzyme pyridoxalphosphate.



Các Enzyme cộng tác với biotin có thể chia làm 3 nhóm: Carboxylase, Decarboxylase, Transcarboxylase.

Trong hình 3.11 ta có:

(a) Cấu trúc phân tử của coEnzyme biotin.

(b) Cơ chế hoạt động.

R= H ---------> Biotin

R= -COO- -------> N-Carboxybiotin

Hình 3.11. CoEnzyme Biotin.

5. Đặc điểm hoạt tính của Enzyme.

Enzyme cũng giống các chất xúc tác hoá học khác là làm tăng tốc độ phản ứng, không mất đi, không tăng lên trong quá trình phản ứng, nó giúp cho phản ứng nhanh chóng đạt tới trạng thái cân bằng động, nó không quyết định chiều hướng của phản ứng, nhưng do trong cơthể các sản phẩm của phản ứng này lại là cơ chất của phản ứng tiếp theo nên phản ứng hầu như đi theo một chiều. Tuy nhiên Enzyme có đặc điểm khác với các chất xúc tác khác là:

So với các chất xúc tác hoá học thì Enzyme là chất xúc tác có hiệu xuất cao nhất (1,6 g Amylase trong 1 giờ thuỷ phân được 175kg tinh bột).

Enzyme hoạt động với tính đặc hiệu hết sức cao, thường mỗi Enzyme chỉ xúc tác cho một loại phản ứng hay một cơ chất tới hàng đồng phân quang học.

Enzyme là chất xúc tác có khả năng gia tăng tốc độ xúc tác tới 106 – 107 lần với độ đặc hiệu rất cao. Sở dĩ có được tính đặc hiệu này là do có sự kết hợp ăn khớp về mặt cấu trúc giữa Enzyme với cơ chất (thể hiện bởi các gốc, các nhóm hoá học).

Enzyme hoạt động trong điều kiện sinh lý bình thường, ở động vật máu nóng đó là nhiệt độ của cơ thể, pH của mô bào, áp suất khí quyển và môi trường nước.



6. Tên gọi và phân loại

6.1. Tên gọi

Enzyme được gọi theo qui tắc sau: Tên la tinh của phản ứng hoặc cơ chất mà Enzyme đó tác dụng + đuôi ase (aza). Ví dụ: Enzyme phân giải lipid có tên là lipase; phân giải tinh bột (amylum) có tên là Amylase; Enzyme thực hiện quá trình oxy hoá có tên là oxydase, bên cạnh đó vẫn có các tên cũ gọi theo thói quen lịch sử như Enzyme pepsin, trypsin... đây là các Enzyme protease.

6.2. Phân loại

Về phân loại, Enzyme được chia làm 6 lớp lớn (bảng 3.1) đó là:

Lớp I: Enzyme oxy hoá khử (oxydoreductase): thực hiện các phản ứng oxy hoá khửhoặc có liên quan.

Lớp II: Enzyme vận chuyển (trans pherase): thực hiện vận chuyển các chất hoặc các nhóm hoá học.

Lớp III: Enzyme thuỷ phân (hydratase): thực hiện các phản ứng thuỷ phân hoặc tổng hợp có liên quan đến nước.

Lớp IV: Enzyme đồng phân hoá (isomerase, mutase): thực hiện các phản ứng chuyển dạng đồng phân này sang dạng đồng phân khác.

Lớp V: Enzyme liase: thực hiện các phản ứng phân giải hoặc tổng hợp nên các liên kết đôi.

Lớp VI: Enzyme ligase (kinase, syntetase): thực hiện các phản ứng phân giải hoặc tổng hợp nên các chất có liên quan đến năng lượng của ATP.

Bảng 3.1. Phân loại Enzyme

Số thứ tự Lớp Enzyme Phản ứng xúc tác

1. Oxidoreductase Chuyển é (ion hydride: H hoặc nguyên tử H)

A + B ↔ A+B

2. Transferase Phản ứng chuyển nhóm A –B +C ↔ A+B - C

3. Hydratase Phản ứng thuỷ phân - chuyển nhóm chức cho phân tửnước

A-B+H2O ↔ A-H+B-OH

4. Isomerase Chuyển nhóm chức trong phân tử tạo các dạng đồng phân

X Y Y X

⏐ ⏐ ⏐ ⏐

A- B ↔ A -B

5. Lyase Phản ứng chuyển hoá nhờ bổ sung nhóm chức vào liên



kết đôi hoặc tạo liên kết đôi nhờ lấy đi nhóm chức

X Y

⏐ ⏐

A- B ↔ A = B+X-Y

6. Ligase Tổng hợp hoặc phân giải liên kết C- C, C-S, C-O và C-N có liên quan đến năng lượng của ATP

7. Cơ chế xúc tác của Enzyme

7.1. Nguyên lý về cơ chế xúc tác của Enzyme

Tính xúc tác sinh học của Enzyme thể hiện chính ở chỗ với một nồng độ rất nhỏEnzyme cũng có khả năng làm tăng tốc độ phản ứng lên hàng ngàn vạn lần. Cũng như các chất xúc tác khác Enzyme không tham gia vào sản phẩm cuối cùng của phản ứng, nó chỉ làm cho phản ứng nhanh chóng đạt tới trạng thái cân bằng động. Để hiểu được cơ chế xúc tác của Enzyme cần nhớ lại một số điều kiện nhiệt hoá động học để phản ứng tiến hành. Tốc độ phản ứng hoá học phụ thuộc vào nhiều yếu tố, đó là:

Sự va chạm nhau của các chất tham gia phản ứng nhất là các va chạm hữu hiệu, khảnăng va chạm này phụ thuộc vào nồng độ của chúng và sự nhiễu động mạnh (tức là nội năng của chúng).

Năng lượng hoạt hoá của chất tham gia phản ứng: tốc độ phản ứng hoá học nói chung được xác định bởi giá trị năng lượng hoạt hoá, tức là mức năng lượng các chất tham gia phản ứng phải đạt được, để cắt đứt các liên kết cần thiết và hình thành các liên kết mới. Năng lượng hoạt hoá càng lớn thì tốc độ phản ứng càng chậm và ngược lại, năng lượng này càng thấp thì tốc độ phản ứng càng tăng. Muốn đạt tới năng lượng hoạt hoá thì cần nạp cho phân tử chất một nguồn năng lượng từ bên ngoài dưới dạng nhiệt năng, quang năng hoặc điện năng...

Chất xúc tác (Enzyme) có tác dụng thúc đẩy tốc độ phản ứng hoá học, vì làm giảm năng lượng hoạt hoá phản ứng.

Enzyme chỉ ảnh hưởng lên tốc độ phản ứng, không ảnh hưởng tới cân bằng phản ứng.

Một phản ứng được xúc tác bởi Enzyme thường theo trình tự sau:

Trong đó: E = Enzyme; p = Sản phẩm phản ứng (Product), ES và EP = Phức Enzyme với cơ chất và sản phẩm.

Bất kỳ phản ứng biến đổi S →P nào cũng có thể diễn đạt theo sự thay đổi năng lượng phản ứng mà trong các hệ sinh học nó thường được diễn đạt theo sự thay đổi năng lượng tự do G. Chúng ta cũng biết bất kỳ chất nào S hay P đều có năng lượng tự do nền và người ta sửdụng đại lượng ΔG0 biểu thị sự thay đổi năng lượng tự do chuẩn để mô tả thay đổi năng lượng tự do của phản ứng ở điều kiện chuẩn tương ứng với nhiệt độ 298º K, áp suất 1 atm



hoặc 101,3 Kpa, nồng độ cơ chất là 1M. Do phản ứng sinh học thường diễn ra với các chất có nồng độ nhỏ hơn rất nhiều so với 1M và ở pH 7,0 nên thay vì ΔG0 bằng ΔG0’, biểu thị sựthay đổi năng lượng tự do ở pH 7,0 để tính toán động học của các quá trình biến đổi sinh học.

Sự cân bằng giữa S và P phản ánh sự khác biệt trạng thái nền của chúng. Trường hợp P có trạng thái nền tự do thấp hơn S nghĩa là ΔG0’ của phản ứng là âm (-) và cân bằng phản ứng có xu hướng về phía tạo P. Sự cân bằng có lợi hướng về phía tạo P không có nghĩa là quá trình biến đổi S thành P dễ dàng xảy ra vì tốc độ phản ứng còn phụ thuộc vào các thông sốkhác nữa. Giữa cơ chất tham gia phản ứng và sản phẩm tạo ra tồn tại hàng rào cản năng lượng gọi là trạng thái chuyển tiếp. Trạng thái này không biểu thị sản phẩm trung gian nào, mà chỉbiểu thị thời điểm xảy ra sự biến đổi cơ bản biến S thành P.

Độ chênh lệch giữa trạng thái nền và trạng thái chuyển tiếp gọi là năng lượng hoạt hoá ΔG≠. Trong đó ΔG≠uncat biểu thị năng lượng hoạt hoá của phản ứng không có xúc tác (hình 3.12). Năng lượng hoạt hoá càng cao tốc độ phản ứng càng thấp và ngược lại. Do đó, tốc độphản ứng gia tăng khi nhiệt độ, áp suất và nồng độ chất tham gia phản ứng gia tăng. Vì các yếu tố này làm tăng chuyển động hỗn loạn của các chất tham gia phản ứng và số lượng các phân tử được kích thích vượt qua rào cản năng lượng đồng nghĩa với sự gia tăng tốc độ phản ứng. Mặt khác, có thể gia tăng tốc độ phản ứng bằng cách bổ sung chất xúc tác làm giảm mức năng lượng hoạt hoá.

∆G≠cat –Năng lượng hoạt hoá có xúc tác.

∆G≠ Năng lượng hoạt hoá không xúc tác.

Hình 3.12. So sánh toạ độ của phản ứng biến đổi S



Do vậy, trong những trạng thái trung gian trên, trạng thái nào có mức năng lượng hoạt hoá cao nhất, thì nó sẽ là bước giới hạn tốc độ của phản ứng.

7.2. Xác định tốc độ và cân bằng phản ứng.

Theo nhiệt động học, cân bằng phản ứng liên quan chặt chẽ với ΔG0’, còn tốc độ phản ứng thì liên quan tới ΔG≠.

Trong quá trình biến đổi S → P, cân bằng phản ứng được xác định bởi hằng số cân bằng Keq ; ở điều kiện chuẩn Keq sẽ là Keq’ = [p] / [s] (3. 2)

Keq’ quan hệ với ΔG0’ bằng phương trình:

ΔG0’ = - RT ln Keq’ (3.3)

Trong đó R = hằng số khí (8,315 J/mol. K)

T = nhiệt độ tuyệt đối ở điều kiện chuẩn (298ºK)

Keq’ phản ánh biến đổi năng lượng tự do chuẩn, trong đó ΔG0’càng (-) thì phản ứng càng dễ xảy ra, nhưng không có nghĩa là ΔG0’càng âm thì tốc độ phản ứng càng lớn.

Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nồng độ các chất tham gia phản ứng và hằng số tốc độK. Như vậy, tốc độ phản ứng trong một đơn vị thời gian.

V = K[S] (3.4)

Theo (3.4) thì V chỉ phụ thuộc vào nồng độ của 2 cơ chất thì phản ứng được gọi là bậc 2 với:

V=K[S1] [S2] (3.5)

7.3. Cơ chế xúc tác của Enzyme.

Về cơ chế xúc tác của Enzyme có nhiều giả thiết nhưng đều thống nhất ở chỗ là quá trình xúc tác bắt đầu bằng sự kết hợp giữa Enzyme với cơ chất để tạo thành phức hợp trung gian, cơ chất kết hợp với Enzyme ở phần trung tâm hoạt động, hiện tượng chọn lọc đặc hiệu được thực hiện ở giai đoạn này. Có các thuyết giải thích cơ chế hoạt động của Enzyme nhưsau:

7.3.1. Thuyết hợp chất trung gian: do Nensky đề xướng và Langhenbec phát triển, thuyết này giải thích trường hợp Enzyme và cơ chất là đồng pha. Theo thuyết này Enzyme tạo với cơ chất thành những hợp chất trung gian không bền vững nhờ đó sản phẩm tạo ra với mức đòi hỏi năng lượng hoạt hoá thấp hơn bình thường, ta có thể hình dung như sau:

Giả sử có phản ứng: A + B � AB tiến hành chậm. Khi có Enzyme K thì quá trình diễn ra như sau: A + K � AK với mức năng lượng thấp.

AK + B � AB + K cũng với mức năng lượng thấp.

Tóm lại là: A + B + K ⇔ AK + B ⇔ AB + K

Tốc độ phản ứng tăng vì nó đi theo con đường vòng để tránh mức năng lượng hoạt hoá cao. Bằng cách đo mức năng lượng hoạt hoá, người ta cũng thấy được điều đó: Ví dụ: phản ứng phân giải H2O2 � H2O + O2 có mức năng lượng hoạt hoá là 18 kcal/mol. Khi có peroxydase thì mức năng lượng hoạt hoá chỉ còn 2 kcal/mol. Bằng quang phổ hấp phụ cho thấy có sự tồn tại của hợp chất trung gian. Bình thường quang phổ hấp phụ của peroxydase là



4 vạch, khi cho tác dụng với H2O2 nó mất đi 2 vạch, khi H2O2 phân giải hết nó lại có 4 vạch như cũ. Điều đó chứng tỏ có sự tồn tại của hợp chất trung gian peroxydase - H2O2. Những nghiên cứu về trung tâm hoạt động của Enzyme cũng đem lại nhiều dẫn chứng về hợp chất trung gian giữa Enzyme với cơ chất. Sơ đồ hợp chất trung gian được trình bày ở hình 3.13.

Cơ chất Hợp chất trung gian Sản phẩm Enzyme

Hình 3.13. Sơ đồ hợp chất trung gian

7.3.2. Thuyết hấp phụ: do Bailixơ đề xướng (1906) sau được nhiều tác giả bổ xung. Thuyết này giải thích hiện tượng Enzyme với cơ chất là khác pha. Nhờ trạng thái phân tán cao mà diện tích hấp phụ của Enzyme là rất lớn, làm chỗ thu hút cơ chất, cơ chất tập trung lại làm cho nồng độ tăng cao, các va chạm hữu hiệu tăng, nên tốc độ phản ứng tăng. Quá trình hấp phụ này không chỉ tuân theo các quy luật vật lý đơn thuần mà nó bị chi phối bởi các yếu tốhoá học phức tạp dẫn đến hiện tượng hấp phụ có chọn lọc giữa Enzyme và cơ chất, ngoài ra hiện tượng dễ tiến hành phản ứng trên bề mặt Enzyme còn được cắt nghĩa bằng những biến đổi trong những cấu trúc của các liên kết nguyên tử cơ chất dưới ảnh hưởng của lực trường của các tương tác phân cực điện... mà phân tử Enzyme đem lại, cho nên chúng dễ phân hoá hoặc liên kết với nhau. Như vậy hấp phụ ở đây cũng có tính chọn lọc, chủ động và rất có thểvì những ảnh hưởng đó mà mức năng lượng hoạt hoá được hạ thấp tạo điều kiện cho phản ứng dễ thực hiện.

7.3.3. Cơ chế xúc tác acid – base. Trong các phản ứng hoá sinh luôn có sự hình thành các chất trung gian mang điện thế không bền, dễ dàng bị phân rã trở lại trạng thái ban đầu. Tuy nhiên, chúng có thể được ổn định nhờ sự trao đổi proton với sự tham gia của H+, H3O+, OH- trong môi trường nước. Trường hợp này gọi là xúc tác acid – base, chúng xảy ra trong môi trường phản ứng ngoài nước còn có các chất cho và nhận proton khác. Một số acid amin tham gia trung tâm xúc tác Enzyme như Glu, Asp, Lys, Arg, Cys, His và Tyr đóng vai trò làm chất cho (ở dạng acid) hoặc chất nhận proton (ở dạng Base) (hình 3.14).



7.3.4. Xúc tác thông qua tạo liên kết hoá trị tạm thời.

Các liên kết này tồn tại trong khoảng thời gian rất ngắn giữa cơ chất và Enzyme, nó hoạt hoá phản ứng rất mạnh. Nhiều gốc acid amin và cofactor của Enzyme đóng vai trò là nhóm ưa nhân.

7.3.5. Xúc tác thông qua ion kim loại. Các Enzyme có chứa kim loại thì kim loại giúp định hướng cơ chất vào tâm phản ứng hoặc giúp ổn định trạng thái chuyển tiếp. Ngoài ra, kim loại còn tham gia phản ứng oxy hoá khử. Có tới 1/3 số Enzyme cần sự trợ giúp của ion kim loại để thể hiện hoạt tính sinh học của mình.

8. Động học Enzyme.

8.1. Phương trình động học Michaelis – Menten.

Năm 1913, Michaelis và Menten đã đưa ra mô hình động học giải thích phản ứng được xúc tác bởi Enzyme và lập phương trình phản ánh quan hệ giữa vận tốc phản ứng và nồng độcơ chất S và Enzyme. Điểm quan trọng nhất của mô hình này là trước khi phản ứng xúc tác xảy ra giữa E và S có sự tạo phức ES. Phức này tiếp tục biến đổi tạo ra sản phẩm phản ứng và giải phóng Enzyme để tiếp tục chu trình phản ứng xúc tác mới.

E + S E S P + Sk 3k 1

k 2( 3 .6 )

Hình 3.14. Cơ chếxúc tác acid –base.



K1, K2, K3 là hằng số tốc độ của các vận tốc phản ứng tương ứng V1, V2,V3. ở đây K4 là hằng số tốc độ trong phản ứng tạo phức ES từ P và E là rất không đáng kể nên có thể bỏqua. Do đó vận tốc chuyển hoá phức ES thành P và E là:

V0 = K3 [ES] (3.7)

sẽ quyết định mức độ phản ứng chuyển hoá S → P. Trong thực tế, vận tốc này phụthuộc vào nồng độ ES. Nồng độ ES càng cao thì vận tốc phản ứng càng lớn. Giả sử ký hiệu:

[E0] = nồng độ Enzyme ban đầu

[ES] = nồng độ Enzyme- cơ chất

[E] = nồng độ Enzyme tự do khi đạt điểm cân bằng.

Ta có: [E] = [E0] – [ES]

Coi [S] là nồng độ cơ chất ban đầu và cũng được xem là nồng độ cơ chất ở trong trạng thái cân bằng của phản ứng. Vì trong thực tế, nồng độ cơ chất luôn luôn gấp nhiều lần Enzyme. Hơn nữa, trong nghiên cứu động học người ta thường chỉ quan tâm xác định tốc độphản ứng ban đầu, khi lượng cơ chất bị chuyển hoá chưa đáng kể so với nồng độ ban đầu.

Từ (3.6) ta có:

a/ - Vận tốc phản ứng tạo phức ES là: K1 ([E0] – [ES]) [S]

b/ - Vận tốc phân ly phức ES là tổng của 2 phản ứng.

ES phân ly thành E và S với hằng số tốc độ K2 và ES phân ly thành E và P với hằng sốtốc độ K3. Do đó vận tốc phân ly phức ES là (K2 + K3) [ES]. Khi hệ thống đạt cân bằng ta có:

K1([E0] – [ES]) [S] = (K2 +K3) [ES] (3.8)

Từ đó ta có: [ES] = K1 [E0] [S]/ K1 [S] + (K 2+ K 3)

Chia hai vế phải cho K1 và để dễ tính toán ta thay K2+K 3 / K1 bằng hằng số Michaelis –Menten Km, ta có:

[ES] = [E0 ] [S] /Km + [S] (3.9)

Thay [ES] vào (3.7) ta có:

V0 = K 3[E0] [S] /Km + [S] (3.10)

Khi nồng độ cơ chất đủ lớn để tất cả các phân tử Enzyme tham gia phản ứng đều tạo phức với S, lúc ấy ta có:

[ES] = [E0] và theo lý thuyết, khi đó phản ứng sẽ đạt vận tốc cực đại Vmax = K3[Eo]



Hình 3.15. Ảnh hưởng nồng độ cơ chất đối với tốc độ xúc tác ban đầu.

Từ đó ta có: Vo = Vmax [S] /Km +[S] (3.11).

Phương trình (3.11) được gọi là phương trình Michaelis – Menten phản ứng tương quan định hướng giữa tốc độ ban đầu của phả ứng Vo, tốc độ tối đa Vmax, nồng độ cơ chất ban đầu [S] và hằng số Km. Theo phương trình trên, khi Vo = 1/2 Vmax thì:

Vmax/2 = Vmax[S] /Km + [S] (3.12)

Chia 2 vế cho Vmax ta có:

1/2 = [S]/ km + [S]. Từ đó ta có:

Km + [S] = 2[S]

Km = [S] khi V0 = 1/2 Vmax

Dựa vào phương trình này người ta dựng được đồ thị hyperbol phản ánh ảnh hưởng nồng độ cơ chất đến vận tốc ban đầu của phản ứng (hình 3.15).

8.2. Ý nghĩa của Vmax và Km.

Theo suy luận: Hằng số Km có giá trị tính theo mol bằng nồng độ tính theo mol của cơchất ở thời điểm tốc độ phản ứng ban đầu do Enzyme xúc tác Vo bằng 1/2 Km. Để dễ dàng xác định Km và Vmax người ta lấy nghịch đảo cả hai vế phương trình Mchaelis- Menten:

1/V0 = Km +[S]/Vmax [S]

tách vế phải và đơn giản tiếp sẽ được phương trình Lineweaver – Burk

1/Vo = Km/Vmax –1/[S] +1/Vmax.

Đây là phương trình tuyến tính có dạng ( y= ax +b ) với đồ thị là đường thẳng cắt trục tung ở 1/Vmax, cắt trục hoành ở (-1/Km) và có độ nghiêng bằng (km/Vmax). Phương trình này cho phép dễ dàng xác định giá trị Vmax và Km trong một vài thí nghiệm xác định tốc độVo của phản ứng do Enzyme xúc tác với 1 số nồng độ cơ chất ban đầu (hình 3.16).



Hình 3.16. Biến đổi Lineveaver-Burk.

Trong các phản ứng Enzyme nhiều bậc, phần lớn Enzyme ở dạng EP, để cho thuận tiện người ta gọi hằng số giới hạn tốc độ phản ứng là Kcat. Ngoài ra, để biểu thị hoạt độ xúc tác người ta thường sử dụng khái niệm số chu trình quay của Enzyme được ký hiệu là Kcat/ s phản ánh số phân tử cơ chất biến đổi thành sản phẩm P trong một đơn vị thời gian bởi 1 phân tử Enzyme khi được bão hoà bởi cơ chất.

8.4. Sự ức chế hoạt tính Enzyme

Có 2 nhóm chất ức chế Enzyme: ức chế thuận nghịch và ức chế không thuận nghịch.

8.4.1. Nhóm chất ức chế thuận nghịch: Nhóm này được phân thành 3 nhóm phụ:

Ức chế cạnh tranh: Thể hiện sự ức chế bằng cách cạnh tranh trung tâm xúc tác Enzyme với cơ chất. Thông thường các chất ức chế cạnh tranh có hình dạng giống cơ chất, do đó dễdạng tạo phức EI (I = inhibidor) và ngăn chặn tạo phức ES.

Vì là ức chế thuận nghịch nên có thể hạn chế ảnh hưởng của chất cạnh tranh bằng cách gia tăng nồng độ cơ chất.

Ức chế không cạnh tranh: Nhóm này có 2 nhóm phụ:

Nhóm chất ức chế không cạnh tranh: thể hiện ức chế bằng cách gắn lên vị trí gần tâm hoạt động Enzyme nhưng không ngăn cản cơ chất gắn lên tâm hoạt động. Chất ức chế không cạnh tranh gắn cả lên Enzyme ở trạng thái tự do cũng như lên phức ES làm giảm hoạt tính Enzyme, giảm Vmax nhưng hầu như không ảnh hưởng đối với Km.



Ức chế bất cạnh tranh: Chất ức chế cũng gắn lên vị trí nằm gần tâm hoạt động Enzyme, nhưng chỉ gắn khi phức ES đã được tạo thành mà không gắn lên Enzyme tự do.

8.4.2. Nhóm chất ức chế không thuận nghịch.

Nhóm này ức chế Enzyme bằng cách tạo liên kết hoá trị với Enzyme.

Trong nhóm chất ức chế không thuận nghịch còn có một số chất ức chế khá đặc biệt. Bình thường chúng không hoạt động và chỉ bắt đầu hoạt động khi được gắn hoá trị với tâm hoạt động và làm mất hoàn toàn hoạt tính của Enzyme. Các chất ức chế này còn gọi là chất ức chế tự sát.

9. Thí dụ về phản ứng xúc tác Enzyme.

Tới nay người ta đã biết đầy đủ hơn 1.500 Enzyme khác nhau, trong đó mỗi Enzyme có cấu trúc không gian, đặc tính và cơ chế xúc tác riêng biệt. Tuy nhiên, các Enzyme này thường tập trung theo các nhóm cơ chế phản ứng giống nhau và cũng khá gần nhau về mặt nguồn gốc phát sinh và thứ tự sắp xếp acid amin. Chúng ta hãy xét vài trường hợp tiêu biểu sau đây:

9.1. Enzyme protease Serine sử dụng Ser làm yếu tố xúc tác hướng nhân.

Trong nhóm Enzyme này có 3 Enzyme tiêu biểu là Trypsin, Elastase, và Chymotrypsin -đều là endopeptidase. Tuy xúc tác phân giải các liên kết peptide khác nhau: Trypsin cắt liên kết peptide nằm cạnh gốc Lys, Arg. Chymotrypsin cắt liên kết peptide nằm cạnh gốc acid amin nhân thơm còn Elastase cắt liên kết peptide nằm cạnh gốc acid amin có kích thước nhỏvà không phân cực.

Tuy nhiên, chúng đều có trung tâm hoạt động chứa His(57), Asp (102), Gly (103)và Ser (195). Cơ chế xúc tác của chymotrypsin cắt liên kết peptide với 6 giai đoạn được trình bày ở hình dưới đây (hình 3.17):

1.Tạo phức khởi động: Nguyên tử O của nhóm carbonyl tạo liên kết hydrogen với H thuộc nhóm amide của gốc Gly(193) và Ser(195), còn Asp và His nằm thẳng hàng tạo liên kết hydrogen với nhóm –OH của Ser(195).

2.Tạo phức trung gian tứ diện đầu tiên: Ser (195) giải phóng proton cho His (57) và tác động hướng nhân vào nguyên tử C của nhóm carbonyl cơ chất, lúc này His(57) đóng vai trò xúc tác theo kiểu acid –base. Sự di chuyển đIện tử (-) của O thuộc nhóm carbonyl tạo ra phức tứ diện trung gian đầu tiên gọi là OXYANION –là chất trung gian ở trạng thái chuyển tiếp không ổn định bởi tương tác tĩnh điện với proton amide của Ser(195) và Gly (193).

3.Tạo phức Acyl-Enzyme trung gian và tách amin: Phửc trung gian không bền vững được tạo thành bị phân rã tạo ra phức trung gian bền vững hơn, trong đó Ser(195) tạo liên kết ester với nhóm –COOH của cơ chất và giải phóng amin. Có lẽ His(57) đóng vai trò trợ giúp phản ứng phân rã.

4. Tạo phức acyl- Enzyme trung gian với 1 phân tử nước.

5. Hình thành phức trung gian tứ diện thứ 2.

6. Tạo phức EP.

Ba bước phản ứng sau liên quan tới quá trình phân rã phức acyl-Enzyme có hướng ngược lại với 3 bước đầu, ngoại trừ phân tử nước sẽ thay thế nhóm –NH2 của cơ chất.



9.2. Hexokinase xúc tác phản ứng với 2 cơ chất:

Enzyme này xúc tác phản ứng biến đổi Glucose và ATP thành Glucose –6-phosphate và ADP. Nó tấn công nguyên tử P cuối cùng của ATP nhờ nhóm điện (-) có mặt trong trung tâm hoạt động (B). Ngoài ra bản thân nhóm P cuối của ATP luôn có xu hướng tách khỏi ATP. Điều này cũng làm cho quá trình xúc tác dễ dàng xảy ra hơn (hình 3.18)

10. Enzyme điều hoà.

Enzyme điều hoà thuộc nhóm Enzyme đặc biệt có cơ chế hoạt động khác với đa số các Enzyme bình thường khác. Trong quá trình trao đổi chất, các chuỗi phản ứng hoá học được xúc tác bởi các Enzyme qua từng giai đoạn theo thứ tự nhất định gọi là chu trình. Trong mỗi chu trình phải có ít nhất 1 Enzyme điều chỉnh tốc độ phản ứng của toàn bộ chu trình. Enzyme này gọi là Enzyme điều hoà. Thường trong các chu trình chuyển hoá phản ứng đầu tiên được xúc tác bởi Enzyme điều hoà.

Sở dĩ Enzyme điều hoà có khả năng trên vì hoạt tính của nó được điều chỉnh bởi nhóm các chất điều hoà có khối lượng phân tử nhỏ (thường là bản thân các chất trao đổi hoặc các cofactor). Ta hãy xem xét một số cơ chế hoạt động của Enzyme điều hoà.

10.1. Enzyme dị lập thể (Allosteric Enzyme).

Enzyme này thay đổi hoạt tính xúc tác thông qua thay đổi cấu hình không gian khi gắn với các chất điều hoà đặc hiệu của nó. Có một kiểu điều hoà rất phổ biến đối với Enzyme dịlập thể là điều hoà ức chế ngược (Feedback inhibidion). Bản chất của nó là Enzyme dị lập thểxúc tác phản ứng đầu tiên của chuỗi phản ứng chuyển hoá thường bị ức chế ngược bởi chính sản phẩm của chuỗi phản ứng.

Enzyme dị lập thể thường có nhiều tâm điều hoà. Do vậy, nó khác với Enzyme bình thường ở chỗ: Enzyme dị lập thể ngoài tâm hoạt động để gắn cơ chất còn có một hoặc nhiều tâm điều hoà để gắn các yếu tố điều hoà và cofactor. Các tâm gắn này nằm ở các vị trí và thậm chí ở các tiểu đơn vị khác nhau của Enzyme, do vậy Enzyme dị lập thể thường có kích thước lớn hơn và cấu trúc không gian phức tạp hơn.

Hình 3.18. Phản ứng xúc tác bởi Hexokinase



10.2. Enzyme điều hoà cải biến nhờ tạo liên kết hoá trị thuận nghịch.

Trong cơ chế điều hoà này, hoạt động Enzyme được điều chỉnh nhờ sự cải biến liên kết hoá trị của phân tử Enzyme. Điển hình nhất là phản ứng gắn nhóm phosphate, nhóm Adenyl, nhóm Uridyl, ADP – Ribosyl và nhóm Methyl.

10.3. Các cơ chế khác điều hoà hoạt tính xúc tác Enzyme.

Ngoài 2 cơ chế điều hoà xúc tác rất phổ biến trên, còn có ít nhất 2 cơ chế khác: Một sốEnzyme được điều hoà nhờ gắn hoặc tách những phân tử protein đặc hiệu hoặc được hoạt hoá từ phân tử Enzyme tiền chất nhờ cắt bớt một hay một số đoạn peptide. Trong thực tiễn, rất nhiều Enzyme protease được hoạt hoá từ tiền chất của chúng là Zymogen. Điển hình là sựhoạt hoá Trypsin và Chymotrypsin, hoạt hoá hormone peptide và quá trình Protease tham gia xúc tác quá trình đông máu.

YÊU CẦU CẦN NẮM CHƯƠNG III : ENZYME

Khái niệm , bản chất của enzyme. Trung tâm hoạt động của enzyme. Đặc điểm hoạt tính của enzyme. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính của enzym. Cơ chế xúc tác của enzyme. CHƯƠNG III: EN ZYME Câu 1: Trung tâm hoạt động của enzym? Những yếu tố ảnh hưởng đến trung tâm này? Câu 2: Cơ chế ảnh hưởng đến hoạt tính của enzym bởi nhiệt độ và độ pH? Câu 3: Cơ chế xúc tác theo thuyết hợp chất trung gian của enzym?

Câu 4: Cơ chế xúc tác theo thuyết hấp phụ của enzym?



CHƯƠNG IV

HOÁ SINH HORMONE

1. Đại cương về Hormone

1.1. Định nghĩa.

Hormone: Danh từ này lần đầu tiên được đưa ra năm 1904 bởi Wiliam Bayliss và Ernest Starling để mô tả tác dụng của Secretin – một chất được sản xuất bởi tá tràng, có tác dụng kích thích sự bài tiết của tuỵ (tiếng Hylạp, Harman có nghĩa là kích thích). Ở Việt Nam gọi là Nội tiết tố - chỉ nguồn gốc tiết của hormone (các chất do tuyến nội tiết tiết ra) hay còn gọi là Kích thích tố- chỉ chức năng kích thích của hormone.

*Về mặt hoá học: hormone là một nhóm các hợp chất hữu cơ có bản chất rất đa dạng: có thể là protein như Somatotropin thuỳ trước tuyến yên có 200 gốc acid amin; là polipeptide như Insuline của tuyến tuỵ có 51 acid amin; oligopeptide như Oxitosine của thuỳ sau tuyến yên có 8 acid amin; là dẫn xuất của acid amin như Adrenalin - hormone của miền tuỷ thượng thận là dẫn xuất của Tyrosine; là dẫn xuất của nhóm Steroid như Corticco Steroid - hormone miền vỏ thượng thận hay các hormone sinh dục v.v. và có thể là dẫn xuất của các acid béo như Prostaglandin của tuyến tiền liệt có bản chất là dẫn xuất của acid béo không no (bảng 4.1).

*Về mặt sinh học: Hormone là những hợp chất hữu cơ được sản xuất với một lượng rất nhỏ bởi những tế bào đặc biệt chủ yếu ở các tuyến nội tiết, giữ nhiệm vụ điều chỉnh các quá trình trao đổi chất, làm cho các quá trình đó tiến hành với một cường độ và một chiều hướng thích hợp với nhu cầu sống của cơ thể trong từng giai đoạn, từng thời điểm nhất định.

1.2. Các cách truyền thông tin của tế bào.

Cần phân biệt những tế bào nội tiết với những tế bào khác và những chất bài tiết của những tế bào này

1.2.1. Tế bào nội tiết: Đó là những tế bào sản xuất và bài tiết trực tiếp vào máu những chất có hoạt tính sinh học được gọi là Hormone. Ví dụ tế bào β của tuyến tụy tiết ra Insuline.



Bảng 4.1: Một số hormone và chức phận của nó

Hormone Nguồn gốc Chức phận

Vasopressin Yên sau Tái hấp thu nước

Cortison Vỏ thượng thận Lọc cầu thận

Calcidonin Giáp trạng ức chế sự huy động Ca2+ từ xương

PTH Cận giáp Huy động Ca2+ từ xương, bài xuất PO4

Insuline Tuyến tuỵ (Tế bào β) Hạ đường huyết

Adrenalin Tuỷ thượng thận Tăng đường huyết

Glucagon Tuyến tuỵ (tế bào α) Tăng đường huyết

Cortisol Vỏ thượng thận(bó) Tăng đường huyết

STH Tuyến yên trước Tăng đường huyết, phát triển xương

T4, T3 Tuyến giáp trạng Kích thích chuyển hoá

FSH Tuyến yên trước Phát triển tuyến sinh dục

LH Tuyến yên trước Bài xuất của tuyên sinh dục

Estradiol Buồng trứng Cơ quan sinh dục nữ

Progesteron Buồng trứng Làm ổ

Testosteron Tinh hoàn Cơ quan sinh dục nam

Prolactin Tuyến yên trước Tạo sữa

Hình 4.1. Sơ đồ các tế bào nội tiết, cận tiết và tự tiết

Hình 4.1. Sơ đồ các tế bào nội tiết, cận tiết và tự tiết



Prostaglandin Trong hầu hết các mô Nhiều tác dụng

Oxidoxin Yên sau Tăng co bóp cơ trơn của tử cung và tuyến vú.

1.2.2. Tế bào thần kinh: Tiết những hormone thần kinh (Neurohorrmone). Ví dụVasopressin được tiết ra bởi các tế bào thần kinh vùng dưới đồi đổ trực tiếp vào máu nhờ hệthống thần kinh – tuyến yên.

1.2.3. Tế bào cận tiết-bàng tiết (paracrine): Tiết những chất có tác dụng trực tiếp đến những tế bào gần kề hoặc khu trú ngay trong cơ quan nội tiết, không cần vận chuyển bằng máu. Đó là những hormone tại chỗ, ví dụ Somatostatin của tuyến tuỵ (Hình 4.1).

Cũng cần lưu ý rằng những chất dẫn truyền thần kinh không thuộc nhóm hormone theo đúng định nghĩa cổ điển.

Những chất kể trên gồm hormone, hormone thần kinh, hormone tại chỗ và chất dẫn truyền thần kinh được gọi là những chất truyền tin thứ nhất hay chất truyền tin ngoài tế bào (để phân biệt với những chất truyền tin thứ hai hay chất truyền tin trong tế bào).

Hormone được đưa vào máu, nhanh chóng tới các cơ quan tiếp nhận. Hormone có thể di chuyển xa với khoảng cách hàng mét hoặc nhiều hơn trước khi tiếp cận tế bào nhận. Còn các chất dẫn truyền thần kinh chỉ di chuyển một khoảng cách ngắn chừng vài micromet qua synap đến tế bào thần kinh liền kề hoặc tế bào nhận.

Dù khác nhau về phương diện giải phẫu, chất dẫn truyền thần kinh và hormone rất giống nhau về cơ chế tác dụng sinh học, nó đã tạo nên một hệ thống Thần kinh – nội tiết.

1.3. Nguồn gốc của hormone

Hormone có nhiều nguồn gốc khác nhau:

Do các tuyến nội tiết (không có ống tiết) sản phẩm thấm qua mao quản vào máu được vận chuyển đến một bộ phận khác trong cơ thể (thường gọi là mô bào đích, tế bào đích) đểphát huy tác dụng. Trong cơ thể động vật đại đa số các hormone là do các tuyến nội tiết tiết ra.

Ngoại tiết: (chất tiết không được đưa vào máu) ví dụ gastrin do vùng hạ vị của dạ dày tiết ra được đổ vào dạ dày nhào trộn trong khối thức ăn lên vùng thân vị kích thích vùng thân vị tiết dịch vị.

Nguồn gốc từ thực vật: ở thực vật có rất nhiều chất kích thích tố như các kích tố sinh trưởng thúc đẩy qúa trình sinh trưởng của cây: ví dụ như Ausin; Indolaxetic, Giberein v.v. Ởmột số hạt, cỏ và cây còn có các kích tố sinh dục có phát huy tác dụng đối với cơ thể động vật, chúng thường xuất hiện vào mùa xuân gây kích thích sinh đẻ theo mùa cho động vật ăn cỏ và chim muông.

1.4. Vai trò sinh học của hormone và mối liên hệ giữa thần kinh và thể dịch

Cơ thể và ngoại cảnh là một khối thống nhất mà ngoại cảnh luôn luôn thay đổi như thời tiết thức ăn, ánh sáng v.v. để thích ứng được với những biến đổi đó cơ thể phải điều chỉnh bằng cách:



Tiết dịch (hệ đơn giản)

Thần kinh (hệ phức tạp)

Hormone (thể dịch) cùng với hệ thần kinh tham gia điều chỉnh các quá trình trao đổi vật chất của cơ thể. Trao đổi vật chất của cơ thể cũng như của tế bào là một quá trình phức tạp gồm rất nhiều phản ứng liên quan chặt chẽ với nhau. Bình thường trong một tế bào trong một thời điểm có hàng trăm phản ứng xảy ra. Những phản ứng đó do enzyme xúc tác, nhưng enzyme chỉ giúp cho phản ứng tiến hành nhanh và có trình tự. Xét về mặt tổng quát enzyme không có tác dụng điều chỉnh. Tác dụng điều chỉnh này là do hệ thống chuyên hoá giúp cho những loạt phản ứng do enzyme xúc tác được tiến hành đúng lúc, đúng phương hướng, đúng cường độ mà mô bào cần thiết. Hệ thống chuyên hoá đó là hormone.

Ở động vật đơn bào chưa có hệ thần kinh thì sự điều tiết chủ yếu là thể dịch vì hoạt động của cơ thể chúng còn đơn giản. Qua quá trình tiến hoá, cơ thể động vật đã xuất hiện hệthần kinh để đáp ứng những hoạt động phức tạp hơn của cơ thể. Nhưng trong quá trình tiến hoá động vật vẫn giữ cả hai hệ thống và hai hệ thống này hoạt động phối hợp nhau, sự liên hệđó

Tín hiệu ở bên ngoài hoặc bên trong

↓Thần kinh trung ương

↓Vùng dưới đồi

↓Hormon giải phóng(ng)

↓Tuyến yên

↓Hormon của tuyến yên

(μg) ↓

Tuyến đích ↓

Hormon cuối cùng ↓

Mô bào đích

Hình 4.3. Sơ đồ tổng quan về mối liên hệ giữa hormone giải phóng vùng dưới đồi, tuyến yên với các tuyến đích

Chu trình kiểm soátngược ngắn

Chu trình kiểmsoát ngược dài

Chu trình kiểm soát ngược ngắn

Hình 4.2. Sơ đồ về mối liên hệ giữa thần kinh và thể dịch



Thần kinh trung ương↓

Vùng dưới đồi ↓

Các hormone giải phóng

GH TRH CRH Dopamin PRF gnRHGIH PIF gnRIF

GH TSH ACTH β-LTH PRL TSH LH

Phát triển xương Gan T. giáp Vỏ thượng β-Endorbin Tuyến vú B. trứng B.trứng chuyển hoá T.hoàn T.hoàn Glucid, protein T3, T4 ThÝch nghi Gi¶m ®au T¹o s÷a Ph¸t triÓn Rông trøng Tăng đường với stress nang Thể vàng Huyết Kích thích Tạo tinh Progesteron tạo testotteron trùng

thông qua bộ phận dưới đồi (hypothalamus). Các tuyến nội tiết có mối liên hệ chặt chẽ với nhau qua sự điều tiết chung của tuyến yên, tuyến yên lại chịu sự điều tiết của thần kinh trung ương qua bộ phận dưới đồi, hình thành nên hệ thống hypothalamo - hypophysealis (thần kinh- thể dịch).

So với hệ thần kinh thì hormone được hình thành sớm hơn, nó hoạt động chậm hơn nhưng nó bao quát đến tất cả các tế bào. Có thể coi hormone là những tín hiệu hoá học được đưa tới tế bào để hướng hoạt động của enzyme trong tế bào theo chiều hướng đúng với nhu cầu sống của cơ thể. Còn hệ thần kinh được hình thành sau hơn nó hoạt động nhanh, chính xác hơn nhưng nó không bao quát đến tất cả các tế bào. Sự tổng hợp hay giải phóng một hormone nào đó đều được kiểm soát một cách chặt chẽ bao gồm ba giai đoạn của sự tương tác như sau:

Hypothalamus giữ vai trò chủ đạo điều hoà hoạt động của các tuyến nội tiết trước hết hypothalamus tiết ra các tác nhân có tác động kích thích gọi là yếu tố giải phóng RF (Releasing factor) hoặc là các tác nhân có tác dụng ức chế IF (inhiliding factor). Các tác nhân này tác động đến thuỳ trước của tuyến yên để kích thích tiết hormone cấp I. Sau đó hormone cấp I này sẽ tác động đến các tuyến nội tiết khác, điều khiển chúng tiết ra hormone cấp II. Các hormone cấp II có nhiệm vụ đáp ứng lại những đòi hỏi của cơ thể, đồng thời chúng có thểngăn chặn sự tiết RF, IF của hypothalamus hay ngăn chặn sự tiết hormone cấp I theo cơ chếđiều hoà ngược (Megative feedback ) (hình 4.2, 4.3).

Tuyến yên



2. Phân loại hormone

Căn cứ để phân loại hormone dựa vào bản chất hoá học của hormone. Bản chất hoá học của hormone cũng quyết định tính chất và cơ chế tác dụng của hormone như tính hoà tan trong nước, tác dụng lên màng, lên gen... Căn cứ vào đó hormone có thể được phân thành bốn nhóm chính sau.

2.1. Hormone peptide

Đây là những hormone có từ 3 acid amin trở lên, gồm những hormone của các tuyến vùng dưới đồi, tuyến yên, tuyến tuỵ... Sự tổng hợp các hormone peptide thường xảy ra ở lưới nội chất, khi tổng hợp thường ở dưới dạng pro-hormone, ví dụ pro-Insuline ở dạng này nó chưa có hoạt tính. pro-Insuline gồm ba chuỗi: chuỗi A gồm 21 acid amin, chuỗi B gồm 30 acid amin. Hai chuỗi này được nối với nhau bởi 2 cầu nối dissulfid và giữa chúng là chuỗi C có 30 acid amin. Khi có nhu cầu về Insuline nó được enzyme peptidase cắt bỏ chuỗi C tạo thành Insuline có hoạt tính.

Chuỗi B Phe Val Asp Gly His Leu Cys Gly Ser His Leu Val Glu Ala Leu Tyr Leu Val Cys Gly Glu ARG S S Gly Phe S S Phe Tyr Chuỗi A Thr Ile Val Glu Gln Cys Cys Ala Ser Val Cys Ser Leu Tyr Gln Leu Glu Asn Tyr Cys Asn Pro S S

Hình 4.4. Cấu trúc của Insuline

Các hormone peptide tan trong nước và được lưu thông trong máu dưới dạng tự do, thời gian đáp ứng ngắn (vài giây cho tác dụng với sự tăng đường huyết của glucagon hoặc chống lợi niệu của vasopressin).

Hormone peptide không thâm nhập vào trong tế bào đích mà tác dụng lên bề mặt tế bào đích thông qua chất cảm thụ đặc hiệu của chúng ở trên màng tế bào.

2.2. Hormone là dẫn xuất của các acid amin

Những hormone thuộc nhóm này có khối lượng phân tử thấp và thường là những dẫn xuất của Tyrosine, gồm những hormone của miền tuỷ thượng thận như Adrenalin, Nor adrenalin đây là những hormone tan trong nước và những hormone của tuyến giáp trạng nhưTriiodotyronin T3, Tetraiodtyronin T4 (Thyroxin), chúng ít tan trong nước. Sự tổng hợp các hormone này thường đơn giản và nhanh hơn so với những hormone peptide.

Các hormone này được lưu thông trong máu dưới dạng tự do như Adrenalin, Nor adrenalin hoặc được vận chuyển dưới dạng kết hợp với protein như hormone tuyến giáp có chất vận chuyển là TBG (Thyroxin binding globulin) vận chuyển Thyroxin T3, T4.

Thời gian đáp ứng của các hormone này rất ngắn thường vài giây như Adrenalin, Nor adrenalin



Các hormone này cũng không thâm nhập vào trong tế bào đích mà tác dụng lên bề mặt tế bào đích thông qua chất cảm thụ đặc hiệu của chúng ở trên màng tế bào.

2.3. Hormone Steroid

Các hormone Steroid bao gồm những hormone của miền vỏ thượng thận, của tuyến sinh dục. Các hormone Steroid được tổng hợp từ cholesterol. Chúng có đặc tính không tan trong nước, chỉ hoà tan trong lipid, chúng được lưu thông trong máu thường nhờ các yếu tố vận chuyển đặc hiệu, ví dụ:

CBG (Corticosteroid binding globulin) vận chuyển cortisol, corticosteron, progesteron.

SBG (Sex hormone binding globulin) vận chuyển đối với các hormone sinh dục estradiol và testosteron.

Một lượng nhỏ hormone thuộc nhóm này lưu trong trong máu dưới dạng tự do. Khi đến tế bào đích hormone được tách khỏi protein vận chuyển sang dạng tự do. Nó xâm nhập vào trong tế bào đích và kết hợp với chất cảm thụ đặc hiệu của nó tạo thành hợp chất trung gian đến tác dụng lên DNA nhân của tế bào. Thời gian đáp ứng của hormone Steroid khá lâu so với các hormone peptide và hormone là dẫn xuất của acid amin.

2.4. Hormone là dẫn xuất của các acid béo

Các hormone thuộc nhóm này thường phát huy tác dụng tại chỗ (ít vận chuyển xa từ nơi chúng được tiết ra mà có tác dụng với những tế bào gần nơi nó được tiết). Đại diện nhưhormone prostaglandin (hình 4.5).

O ||

⎯ COO-

OH

Hình 4.5. Cấu tạo của prostaglandin

3. Cơ chế tác dụng của hormone

3.1. Hai nguyên lý cơ bản về tác dụng của hormone:

Nguyên lý thứ nhất: Hormone di chuyển trong máu đến mọi cơ quan, nhưng mỗi loại hormone chỉ tác động lên một số cơ quan (hay tế bào) chuyên biệt nhất định. Sở dĩ như vậy vì mỗi hormone khi đến tế bào đích sẽ được phân biệt bởi chất tiếp nhận hay chất cảm thụ(Receptor) đặc trưng riêng của mình. Chất tiếp nhận hormone ở tế bào đích có bản chất là những prrotein. Chúng khu trú ở ngay trên màng tế bào hoặc được phân bố ở trong tế bào chất. Những hormone tan trong nước như các hormone có bản chất là protein, oligopeptide, dẫn xuất của acid amin như Insuline, glucagon, Adrenalin v.v. thì các Receptor của chúng định vị ngay trên màng tế bào. Đối với các hormone có bản chất Steroid hay các hormone hoà tan trong lipid thì các Receptor của chúng phân bố ở trong tế bào chất. Khi các hormone này xâm nhập vào trong tế bào chúng thường kết hợp với chất tiếp nhận (Receptor) tạo thành phức hợp trung gian hormone-Receptor, từ các phức hợp này sẽ gây ra nhiều tác động khác nhau.



Nguyên lý thứ hai: Việc gắn hormone vào chất tiếp nhận đặc hiệu của nó tạo nên phân tử thông tin nội bào mà sau đó nó làm kích thích hoặc giảm nhẹ hoạt tính hoá sinh đặc trưng của mô bào đích. Đối với các hormone hoà tan trong nước, thông tin nội bào thường là 3/, 5/ -AMP vòng hoặc là 3/, 5/ - GMP vòng (thông tin thứ 2). Còn đối với các hormone hoà tan trong lipid các phức hợp hormone-Receptor là các thông nội bào.

3.2. Cơ chế tác dụng của hormone

Trong nghiên cứu về cơ chế tác dụng của hormone thì Adrenalin là chất đầu tiên được nghiên cứu có kết quả về cơ chế tác dụng lên tế bào gan ở mức độ phân tử, xuất phát từ công trình của E.W. Sutherland và cộng tác năm 1950. Sutherland được giải Nobel Y học năm 1971 về phát minh ra AMP vòng.

Đặc tính tác dụng của hormone là với nồng độ rất thấp picomol (10-12mol), micromol (10-6 mol) nhưng sự phát huy tác dụng lại rất lớn.

Khái niệm về hệ thống thông tin thứ hai .

Các hormone từ các tuyến nội tiết được tiết vào máu, từ máu được đưa tới tế bào đích, chúng phải chọn các tế bào “đích” để tác động. Điều kiện của một tế bào đích là phải có các Receptor cho hormone (ở màng tế bào hay ở bào tương hoặc nhân tế bào).

Đối với các hormone hoà tan trong nước ( peptide và các dẫn xuất acid amin ) không đi qua màng tế bào mà lại gắn với các Receptor ở màng tế bào và tạo ra một dòng thác các phản ứng Enzyme. Dòng thác Adenylate dẫn đến sự tăng AMP vòng (AMPc) và sự hoạt hoá hệthống protein Kinase. Đó là con đường chính thông tin (hormone) từ ngoài tế bào vào trong tếbào đích .

Sự kết hợp giữa những thông tin thứ nhất (hormone) với các Receptor sẽ tạo ra những tín hiệu hoá học khác nhau trong tế bào. Những tín hiệu này gọi là thông tin thứ hai. Ngoài AMP vòng còn có một số chất thuộc thông tin thứ hai khác như GMPvòng (GMPc), Inosidol Triphosphate (IP3), Diacylglycerol hay diglycerid (DG) và Ion Ca2+ .

Đối với các hormone không hoà tan trong nước (Hormone Steroid, hormone sinh dục...) chúng có thể đi qua màng tế bào để gắn với các Receptor của chúng ở trong tế bào chất hoặc trong nhân tế bào tạo thành phức hợp hormone-Receptor, thì thông tin thứ hai (thông tin nội bào) là phức hợp hormone-Receptor.

Có hai cơ chế tác dụng cơ bản của hormone là:

Tác dụng lên màng

Tác dụng lên gen

3.2.1. Cơ chế tác dụng lên màng: Sự tiến hoá của sinh vật có một bước quan trọng là việc hình thành lên màng, một sự chuyển biến về chất lượng: Từ chất không sống sang chất sống. Bản thân màng là một cấu tạo chức năng hoàn chỉnh của tế bào, nên các tác dụng điều chỉnh của hormone phần lớn là tác động thông qua màng, trên màng có các cấu tạo cảm thụ(Receptor), các cấu tạo này rất đa dạng, chức năng phong phú nhưng nhìn chung là chúng có cấu trúc đặc thù ứng với chức năng, tính đặc thù của nó hết sức cao. Hormone là những yếu tốđi tới tác động lên các điểm cảm thụ đặc thù của mình. Cấu trúc hoá học của hormone thường phù hợp tương ứng với cấu trúc của các điểm cảm thụ. Khi tín hiệu (các phân tử hormone) đến, điểm cảm thụ tiếp nhận thì quá trình tiếp theo trong tế bào là: đa số chúng tác động lên



hệ thống enzyme Adenylatcyclase biến hệ thống enzyme này từ trạng thái không hoạt động sang trạng thái hoạt động hoặc ngược lại, ví dụ như tác động của Adrenalin như sau:

Adrenalin

Adenylatcyclase ----------------------> Adenylatcyclase

(không hoạt động) (hoạt động)

Dưới tác dụng của Adenylatcyclase nó chuyển hoá ATP →3/, 5/ - AMP vòng + PiPi

Một số hormone như atrial natriuretic factor (ANF), hay nội độc tố vi khuẩn của E.coli... khi đến điểm cảm thụ của mình thì nó lại tác động lên hệ thống enzyme Guanylat-cyclase (GC) để chuyển GTP thành 3/, 5/ - GMP vòng.

ANF còn gọi là atriopeptin hay yếu tố bài xuất Na+. ANF được bài tiết bởi tế bào tâm nhĩ của tim khi có thể tích máu tăng. ANF được máu đưa tới thận, hoạt hoá GC ở tế bào ống thu của thận, GMP vòng tăng gây kích thích sự bài xuất Na+ bởi thận kèm theo bài xuất nước. Sự mất nước làm giảm thể tích máu và hạ áp lực của máu.

Cơ trơn của mạch máu cũng chứa chất thụ thể của ANF. ANF sau khi kết hợp với chất thụ thể của nó ở đây sẽ làm giãn mạch và hạ huyết áp.

Một thụ thể GC tương tự cũng có ở màng tế bào biểu mô của ruột. Thụ thể này được hoạt hoá bởi nội độc tố của vi khuẩn E.coli. Sự tăng GMP vòng gây giảm tái hấp thu nước ởbiểu mô ruột, dẫn đến ỉa chảy đặc hiệu do độc tố.

ATP3////, 5//// - AMPvòng



Hình 4.6. Sự hình thành các thông tin nội bào AMPvòng, GMPvòng và tác dụng truyền tin qua trung gian là các protein kinase tương ứng ( A hoặc G)



Như vậy là các thông tin thứ hai (thông tin nội bào đã được hình thành) (Hình 4.6).

Từ các thông tin nội bào này sẽ tác động lên hệ thống enzyme protein-kinase, rồi từ đó tác động lên hệ thống enzyme cần tác động cuối cùng. Đáng chú ý là quá trình tác động này thực hiện theo phản ứng dây chuyền và có sự khuyếch đại. Từ một phân tử hormone có thểtạo ra hàng trăm phân tử 3/, 5/ - AMP vòng và tạo thành hàng nghìn phân tử protein-kinase hoạt động v.v.(Hình 4.7).

Nghiên cứu quá trình điều chỉnh hàm lượng đường trong máu ta sẽ thấy về cơ chế tác dụng lên màng của hormone. Hàm lượng glucose trong máu của động vật có vú là ổn định, nó giao động trong một phạm vi nhất định gọi là hằng số hoá sinh đặc thù.

Hình 4.7. Sự khuếch đại của thông tin khi hormone kết hợp với Receptor của màng tế bào



Ở người là: 80 - 120 mg%, ở lợn: 80 - 120 mg%, ở trâu bò: 40 -70 mg%, ở gia cầm: 150 - 300 mg%...

Điều hoà sự ổn định này là do một số hormone như Insuline có tác dụng làm giảm hàm lượng đường trong máu khi hàm lượng đường tăng, Adrenalin và glucagon làm tăng hàm lượng đường trong máu khi hàm lượng đường này giảm. Ví dụ khi hàm lượng đường trong máu giảm thì Adrenalin được tiết ra chúng đến tác động vào tế bào cơ và tế bào gan. Ở tế bào gan quá trình diễn ra như sau: Khi đến tế bào gan chúng tác động lên điểm cảm thụ của nó, điểm cảm thụ này sau khi tiếp nhận Adrenalin sẽ tác động lên Adenylatcyclase chuyển enzyme này từ trạng thái không hoạt động sang trạng thái hoạt động, khi hoạt động đã chuyển hoá ATP thành 3/, 5/ - AMP vòng, 3/, 5/ - AMP vòng tác động lên hệ thống enzyme protein-kinase biến nó thành hoạt động, hệ thống này lại tác động lên enzyme phosphorylase chuyển chúng từ trạng thái “b” không hoạt động sang trạng thái “a” hoạt động, enzyme này sẽ chuyển hoá Glycogen thành Glucose 1-p. Glucose 1-p được enzyme isomerase chuyển thành Glucose 6-p. Glucose 6-p được enzyme phosphatase cắt gốc phosphate thành Glucose đưa vào máu (Hình 4.8).

3/, 5/ - AMP vòng ngoài tác động lên hệ thống enzyme phosphorylase qua hệ thống protein-kinase I, nó còn tác động lên hệ thống protein-kinase II. Hệ thống enzyme này hoạt động sẽ tác động lên hệ thống enzyme glycogen syntetase, chuyển chúng từ trạng thái hoạt động sang trạng thái không hoạt động làm ngừng quá trình sinh tổng hợp glycogen từ glucose.

Như vậy protein-kinase là một enzyme chìa khoá trong liên hệ giữa AMPvòng với hệthống enzyme phosphorylase và glycogen syntetase.



Enzyme protein-kinase là một phức hợp CR gồm bốn tiểu phần, hai tiểu phần xúc tác C

(catalytique) và hai tiểu phần điều hoà R (regulatrice). Dạng không hoạt động của nó, bốn tiểu phần này liên kết với nhau, tiểu phần điều hoà ức chế tiểu phần xúc tác. Sự điều hoà hoạt động của nó là 3/, 5/ - AMP vòng. 3/, 5/ - AMP vòng gắn vào tiểu phần điều hoà làm cho phức hợp CR tách rời nhau. Tiểu phần C được giải phóng và phát huy tác dụng xúc tác (Hình 4.9).

Dưới tác dụng của tiểu phần C, hệ thống enzyme phosphorylase sẽ được chuyển từ dạng dime (dạng b) không hoạt động sang dạng tetrame (dạng a) hoạt động. Enzyme này hoạt động nó sẽ xúc tiến quá trình phân giải glycogen thành glucose đưa vào máu.

Hình 4.8. Sơ đồ tác dụng của adrrenalin trong việc làm tăng hàm lượng glucose trong máu ở tế bào gan



Tiểu đơn vị xúc tác Tiểu đơn vị điều hoà

Tiểu đơn vị xúc tác (C) Phức hợp AMPc và

hoạt động tiểu đơn vị điều hoà (R)

Hình 4.9. Sự hoạt hoá protein kinase của AMP vòng

Khi hoạt động xong 3/, 5/ - AMP vòng bị phân huỷ bởi enzyme phosphodiesterase theo phản ứng thuỷ phân:

phosphodiesterase

3/, 5/ - AMP vòng + H2O ---------------------------------> Adenozin 5/ phosphate.

Hoạt tính của phosphodiesterase phụ thuộc vào Mg+2 phản ứng này xảy ra ở tế bào chất. Một số chất như cafein của cà phê, chè; nicotin của thuốc lá... có tính chất ức chế enzyme phosphodiesterase, dẫn đến kéo dài sự tồn tại của 3/, 5/ - AMP vòng làm tăng quá trình trao đổi chất của tế bào gây nên sự tỉnh táo.

3/,5/ - AMP vòng bị phân huỷ thì các tiểu phần của protein kinase lại kết hợp với nhau thành phức hợp ban đầu CR không có hoạt tính xúc tác. Bằng con đường này các hệ thống enzyme do chúng điều khiển lại trở lại trạng thái nghỉ bình thường.

Một số lớn hormone đã làm tăng nồng độ của 3/,5/ - AMP vòng trong các mô bào đích, vì chúng có thể kết hợp với các Receptor của nó trên bề mặt của tế bào đích và kích thích Adenylatcyclase gắn trên màng. Đó là các hormone của thùy trước tuyến yên như ACTH, LH, FSH, TSH, các hormone cận giáp trạng và calcidonin, hormone của thuỳ sau tuyến yên nhưVazopresin làm tăng 3/,5/ - AMP vòng trong thận. Mặc dù nhiều hormone có sự kích thích tạo 3/,5/ - AMP vòng nhưng mỗi hormone lại có dòng đặc hiệu bởi vì nó kích thích tạo 3/,5/ - AMP vòng chỉ trong những tế bào có chứa các Receptor bề mặt đặc hiệu cho hormone đó.



Mặt khác 3/,5/ - AMP vòng cũng chỉ tồn tại trong những tế bào đã được kích thích và không đưa vào máu để gây nên sự kích thích chung cho tất cả các tế bào. Song một quá trình phản ứng lại có thể được nhiều hormone kích thích. Ví dụ đối với lipase ở mô mỡ có thể do các hormone Adrenalin, Glucagon, ACTH, TSH v.v.. các hormone này đều làm tăng sự hình thành 3/,5/ - AMP vòng trong mô mỡ và kích thích Lipase.

3/,5/ - AMP vòng còn là một chất trao đổi trung gian (mediator) đặc hiệu hoặc một thông tin viên (messenger), một dạng khác của hệ thống điều hoà trong các tế bào. Nó tác dụng trung gian vào việc làm cảm ứng sự tổng hợp Enzyme, tham gia vào sự dẫn chuyền synap trong hệ thần kinh, giữ chức năng điều hoà trong sự phân chia tế bào; là một chất trung gian (mediator) trong phản ứng miễn dịch và chống nhiễm trùng của các mô bào kể cả phản ứng dịứng. Độc tố Cholera gây sự ỉa chảy ồ ạt và làm mất dịch trong ống tiêu hoá là do độc tố này gắn vào các Receptor đặc hiệu trong tế bào đường tiêu hoá tạo ra 3/,5/ - AMP vòng ở nồng độcao. 3/,5/ - AMP vòng này đã làm tăng quá trình bệnh lý do ảnh hưởng tới quá trình vận chuyển tích cực trong các tế bào đường tiêu hoá.

Chức năng của 3/,5/ - AMP vòng trong các tế bào khác nhau có thể bị ảnh hưởng bởi hai yếu tố đó là Ca2+ tự do và Prostaglandin. Trong một số trường hợp Ca2+ làm tăng cường sự tác động của 3/,5/ - AMP vòng, trong một số trường hợp khác nó lại đóng vai trò ức chế. Prostaglandin A1 được coi là thông tin viên trung gian giữa Receptor-hormone bề mặt tế bào và Adenylatcyclase. Mặt khác nó lại ức chế Adenylatcyclase của tế bào đường tiêu hoá do nó gắn vào vị trí đặc hiệu trên enzyme này.

Về Receptor màng: đây là Receptor được phân bố trên màng tế bào, đối tượng tiếp nhận của nó có bản chất là protein và những hợp chất khác hoà tan trong nước. Chúng tiếp nhận các hormone này ngay trên màng tế bào rồi chuyền thông tin vào trong tế bào qua sự tác động lên các hệ thống enzyme tạo nên các nucleotide vòng và thường thông qua hệ thống protein G. Protein G bao gồm một họ G protein gồm nhiều tiểu đơn vị như α, β và γ. Cấu tạo tổng quát của nó như hình 4.10.

Vai trò của protein G có tác dụng điều hoà sự hoạt động giữa hormone với enzyme tạo nên các nucleotide vòng thông qua sự kết hợp của GTP hay GDP. Khi có mặt của hormone thì GTP kết hợp với tiểu đơn vị α làm tiểu phần này tách khỏi phức hợp α, β và γ và trở thành hoạt động, nó sẽ hoạt hoá Adenylatcyclase để biến ATP thành 3/,5/ - AMP vòng. Khi không có mặt hormone, GDP sẽ kết hợp với tiểu đơn vị α qua phản ứng thuỷ phân GTP thành GDP và các tiểu đơn vị α, β và γ của protein G lại kết hợp với nhau trở thành không hoạt động (hình 4.11).

Như vậy sự truyền thông tin từ tín hiệu hormone qua enzyme Adenylatcyclase gồm 2 bước

Bước 1: Một phân tử hormone kết hợp với một Receptor xúc tác hoạt hoá nhiều phân tửGs.

Bước 2: Một phân tử Gsα hoạt hoá Adenylatcyclase xúc tác sự tổng hợp nhiều phân tửAMP vòng. Hiệu quả của dòng thác phản ứng liên tiếp là sự khuyếch đại rất có ý nghĩa của tín hiệu hormone .

AMP vòng là một truyền tin nội bào thứ hai trong hệ thống truyền tin, nó có đời sống ngắn và nhanh chóng bị phân huỷ bởi phosphodiesterase thành 5’ –AMP, chất này không có



tác dụng của chất truyền tin thứ hai, vì tín hiệu nội bào chỉ tồn tại khi Receptor còn được liên kết với Adrenalin. Nồng độ AMP vòng tăng hay giảm là phụ thuộc vào nồng độ hormone và tác dụng của hormone cũng thay đổi tuỳ thuộc từng mô: Glucagon gây tăng cao nồng độ AMP vòng ở gan nhưng ít gây thay đổi nồng độ AMP vòng ở cơ.

Hình 4.10. Cấu tạo của hệ thống Receptor và protein G

AMPc sẽ tác dụng trực tiếp trên protein kinase phụ thuộc AMPv, còn gọi là protein kinase A. Protein kinase A này hoạt hoá bởi AMPc xúc tác sự phosphoryl hoá phosphorylase. Cũng cần lưu ý rằng một số hormone lại ức chế Adenylatcyclase làm giảm nồng độ AMPc và làm giảm quá trình phosphoryl hoá protein. Chẳng hạn như Somatostatin khi kết hợp với Receptor đặc hiệu thì protein G ức chế (Gi) được hoạt hoá làm ức chế Adenylatcyclase. Như vậy Somatostatin làm đối trọng với tác dụng của Glucagon.

Các tín hiệu ngoài tế bào (tín hiệu thứ nhất ) – hormone có thể có tác dụng hoàn toàn khác nhau ở những tế bào hoặc mô khác nhau, tuỳ thuộc vào loại Receptor, loại protein G –Gs hoặc Gi -được gắn với Receptor và một loạt các enzyme có thể được phoshoryl hoá bởi protein kinase phụthuộc AMP vòng ở mỗi loại tế bào hoặc mô đó.



1. Gs kết hợp với GDP “bị ngắt”, không hoạt động .

2. Gs tiếp xúc với phức hợp Hormone –Receptor, thay thế liên kết với GDP bằng GTP .

3. Tiểu phần α - GTP được tách ra và hoạt hoá Adenylatcyclase .

4. GTP bị phân huỷ bởi GTPase thành GDP trong Gs. Gs(α) “tự ngắt”, tiểu đơn vị αkhông hoạt động kết hợp lại với tiểu đơn vị β và γ .

3.2.2. Cơ chế tác động lên gen.

Từ lâu người ta đã nghiên cứu về sự biến thái của côn trùng. Điều gì đã gây ra sự biến thái này, đó là do hormone Ecdizon có nguồn gốc từ Steroid. Thực tế hormone này đã đánh thức gen tổng hợp những protein cần thiết và ức chế các gen không cần thiết khác trong quá trình biến thái của côn trùng.

Những công trình nghiên cứu gần đây đã cho những hiểu biết sâu sắc về cơ chế hoá sinh của các hormone Steroid cũng như các hormone hoà tan trong lipid khác. Các hormone Steroid bao gồm Estrogen hay là hormone nữ tính trong đó quan trọng nhất là Estradiol và Estron, Androgen hay hormone nam tính như Testosterone, Dihydrotestosterone; hormone thai nghén Progesteron; hormone Steroid của vỏ thượng thận như Cortiol, Corticosterone (hình 4.12). Các hormone giới tính tác động rộng trên các cơ quan giới tính, các hormone của vỏ thượng thận thường có tác dụng sâu lên sự trao đổi chất của nhiều mô bào, nhất là sự trao đổi protein.

Hình 4.11. Sơ đồ hoạt động điều hoà của protein G



Hình 4.12. Công thức của một số hormone Steroid

Người ta đã chứng minh rằng các hormone Steroid gắn với chất tiếp nhận đặc hiệu của nó trong tế bào chất tạo thành phức hợp trung gian Receptor-hormone rồi xâm nhập vào nhân tế bào. Phức hợp trung gian Receptor-hormone sẽ đóng vai trò giải ức chế gen đồng thời làm tăng hoạt tính của m-RNA polimelase. Gen được giải phóng sẽ tham gia vào quá trình sao chép tạo ra các m-RNA, từ các m-RNA này thông qua quá trình phiên dịch để tạo ra các enzyme hoặc protein chức năng tương ứng. Chính những chất này sẽ xúc tiến các quá trình điều chỉnh trong tế bào (hình 4.13). E.V. Jensen và cộng sự đã nghiên cứu ở Estrogen, ông nghiên cứu số phận của Estradiol phóng xạ được tiêm vào động vật cái chưa trưởng thành với một liều lượng nhỏ, những hormone đánh dấu này được định vị vào tử cung và âm đạo, đó là các đích tác động của Esterogen. Esterogen đánh dấu không những tìm thấy ở tế bào chất mà còn tìm thấy ở nhân tế bào nó được định vị ở chromatin. Các nghiên cứu của J.Gorski đã chứng minh protein tiếp nhận Esterogen có mặt ở tế bào chất ở dạng dime có độ lắng 4S khi gắn với Esterogen nó chuyển sang dạng có độ lắng 5S. Phức hợp Receptor- Estrogen 5S được tìm thấy ở nhân tế bào nó được định vị ở choromatin.

Thông qua các quan điểm tương tự người ta đã tìm ra các protein chất tiếp nhận của các hormone Steroid khác như Receptor cho Androgen trong tiền liệt tuyến, các Receptor hormone vỏ thượng thận, của progesteron v.v.. O Mallay và cộng sự đã thực hiện các nghiên cứu để tìm hiểu sự tác động của nó tiếp theo quá trình gắn của progesteron là sự di chuyển của phức hợp progesteron - Receptor từ tế bào chất vào nhân tế bào, phức hợp này gắn với chromatin gây sự tăng hoạt tính của m-RNA polimerase và tăng quá trình hình thành m-RNA cho một vài protein để tạo nên một lượng lớn protein ở vòi trứng như albumin trứng.



Hình 4. 13. Mô hình chung về cơ chế tác dụng của hormone Steroid

Bước 1: Hormone Steroid kết hợp với protein vận chuyển đến tế bào đích, tới đây nó tách khỏi protein vận chuyển sang dạng tự do.

Bước 2: Vào trong tế bào chất hoặc nhân tế bào bằng khuếch tán tự do.

Bước 3: Kết hợp với Receptor ở bào tương (trường hợp các corticoid chuyển hoá đường nhưcortisol) hoặc Receptor ở trong nhân như progesteron.

Bước 4: Hoạt hoá Receptor: kết hợp với Receptor làm tách protein ức chế Receptor (ở bào tương) hoặc kết hợp với Receptor để làm lộ điểm tác động của Receptor (trong nhân).

Bước 5: Sau quá trình hoạt hoá, Receptor từ bào tương vào nhân

Bước 6: Kết hợp với DNA của nhân ở vùng có ái lực cao với DNA. ở vị trí này, phức (H-R) hoạt hoá polymerase, kích thích sự sao chép, tạo thành m-RNA.

Bước 7: m-RNA mới được tổng ra ngoài nhân vào bào tương để thực hiện sự tổng hợp protein mới.

Bước 8: Protein mới được tổng hợp làm thay đổi chức phận và chuyển hoá của tế bào.



Về cơ chế tác dụng lên gen có hai giả thiết:

Gỉa thiết thứ nhất theo quan điểm của Jacob và Moned về thuyết operon, giả thiết này cho rằng hormone Steroid sẽ thâm nhập vào tế bào chất và kết hợp với protein tiếp nhận tạo

thành phức hợp. Phức hợp này di chuyển vào nhân để giải phóng dị thể bằng cách kết hợp với chất ức chế đang bám trên phần gen khởi động (operator) làm vô hiệu hoá chất ức chế

này, giải phóng gen khởi động và quá trình tổng hợp m-RNA được bắt đầu. Như vậy trong quá trình này hormone đóng vai trò là chất giải phóng (hình 4.14).

Hình 4. 14. Sơ đồ cơ chế tác dụng lên gen ( Theo Jacob và Mon

Giả thiết thứ hai: (theo Langan (1968) ông giải thích vai trò giải phóng dị thể của hormone thông qua hoạt động trung gian của 3/ 5/- AMPc . Langan cho rằng chất ức chế trong operon là histon- một protein kiềm tính mang điện dương, ngược lại operator mang điện tích âm (vì nó là acidnucleic) do đó histon bám vào operator theo lực hút tĩnh điện. Khi phức hợp hormone Receptor xâm nhập vào tế bào đích chúng sẽ hoạt hoá enzyme adenylaxyclase đểchuyển hoá ATP thành 3/ 5/- AMPc . 3

/ 5/- AMPc lại hoạt hoá enzyme histonkinase lúc này histon được phosphoryl hoá sang dạng histonphosphate. Chất này mang điện tích âm do đó chúng bị đẩy khỏi operator. Kết quả tiếp theo giống như giả thiết I (hình 4.15)



4. Một số hormone và vai trò của chúng

4.1. Adrenalin và và Nor adrenalin

Adrenalin và và Nor adrenalin là hai hormone của miền tuỷ thượng thận có bản chất là dẫn xuất của acid amin Tyrosine, có vai trò điều hoà hàm lượng đường trong máu khi hàm lượng đường này giảm. Nor adrenalin có chức năng giống như Adrenalin nhưng có hoạt lực thấp hơn.

Quá trình tổng hợp Adrenalin và Nor adrenalin như sau:

Khử cacboxyl Hydroxyl hoá Metyl hoá

Tyrosine ------------> Tyramin ------------> Noradrenalin --------> Adrenalin

- CO2 + 2 OH + CH3

Tyrosine Tyramin Noradrenalin Adrenalin

Hình 4.15. Sơ đồ cơ chế tác dụng lên gen (theo Langan)



Khi Adrenalin được tiết vào máu nó sẽ gây lên một loạt đáp ứng ở động vật có xương sống như tăng áp lực của máu nhất là vành ngoại vi, tăng nhịp tim, tăng co bóp tim, tăng lượng máu đi ra và tăng huyết áp. Ở cơ trơn, nó làm thư giãn cơ tử cung, cơ bàng quang, cơhọng, cơ chu trình của ruột và cơ bao bọc tiểu phế quản của phổi.

Tác dụng nổi bật và quan trọng nhất về mặt hoá sinh của Adrenalin làm tăng tốc độphân giải glycogen ở cơ để tạo lactat và tăng sự phân giải glycogen ở gan để tạo ra glucose đưa vào máu để làm ổn định hàm lượng đường trong máu khi hàm lượng này bị giảm. Hiệu ứng này năm 1950 đã được E.W. Sutherland phát hiện khi ông trộn Adrenalin với mô gan được cắt nhỏ nhưng còn nguyên vẹn thì thấy glucose xuất hiện trong môi trường dịch treo. Cũng từ quan sát này người ta đã tìm ra 3/,5/- AMP vòng và cơ chế tác dụng của Adrenalin với các công trình nghiên cứu của C.F. Cori, E.G. Krebs, E.H.Fisher, E.W. Sutherland.

Adrenazin chẳng những kích thích sự phân giải glycogen mà nó còn ức chế sự tổng hợp glycogen thông qua việc ức chế hệ thống enzyme glycogen-syntetase. Kết quả đều nhằm mục đích tăng hàm lượng glucose trong máu. Ngoài tác động thúc đẩy sự phân giải glycogen ở gan để tạo thành glucose, ở cơ, ở xương để tạo thành lactat, nó còn kích thích lipase trong các tếbào lipid để phân giải triacylglyxerol tạo thành các acid béo gắn với abumin huyết thanh.

Về cơ chế tác động của Adrenalin và Nor adrenalin là tác động lên màng, thông qua các Receptor đặc hiệu của chúng, từ đó tác động lên hệ thống enzyme Adenylatcyclase để tạo thành 3/,5/- AMP vòng.

Receptor của Adrenalin ở tế bào đích có hai loại α và β. Tuỳ theo mỗi loại mà Adrenalin có tác dụng khác nhau. Đối với Receptor α ở tế bào da, sự đáp ứng của Adrenalin thể hiện ở sự co liên kết (sự sợ hãi làm mặt bị tái nhợt), trong khi đó với Receptor β, sự đáp ứng của Adrenalin lại là sự dãn mạch (sự hứng phấn làm má ửng hồng).

Khi ngừng tiết Adrenalin của miền tuỷ thượng thận thì việc gắn Adrenalin lên màng tếbào cũng bị gián đoạn. 3/,5/- AMP vòng không được tạo ra nữa, số còn lại thì bị phân huỷ bởi enzyme phosphodiesterase. Các tiểu đơn vị của protein kinase lại kết hợp trở lại thành phức hợp không có hoạt tính xúc tác và mọi trạng thái trở lại bình thường. Adrenarin được phân giải ở gan do enzyme monoamin oxydase.

4.2. Glucagon:

Glucagon còn được gọi là hyper glycemia-glycogenolytic hormone (hormone làm tăng sự phân giải glycogen).

Glucagon là hormone do tế bào anpha của đảo Langerhans của tuyến tuỵ tiết ra, nó là một polipeptide gồm 29 gốc acid amin:

H2N - His. Ser. Glu. Gly. Tyr. Phe. Tyr. Ser. Asp. Tyr. Ser. Lyz. Tyr. Leu.Asp. Ser. Arg.Arg. Ala. Glu. ASP. Phe. Val. Glu. Try. Leu. Met. ASP. Tyr.

Khi mới tiết ra ở dạng proglucagon không có hoạt tính có thêm 8 gốc acid amin ở đầu COOH, tức là có 37 acid amin. Trước khi đổ vào máu nó tự cắt bỏ 8 gốc acid amin này và trởthành glucagon có hoạt tính. Tác dụng của glucagon giống như Adrenalin nhưng chúng chỉphát huy tác dụng ở gan, nó phân giải glycogen ở gan để đẩy mức glucose huyết về mức bình thường, khi hàm lượng glucose trong máu giảm. Glucagon không phát huy tác dụng ở cơ. Cơchế tác dụng của nó giống như Adrenalin thông qua 3/,5/- AMP vòng. Glucagon được phân giải chủ yếu ở gan.



4.3 Insuline

Insuline là một hormone do tế bào β của đảo Langerhans của tuyến tuỵ tiết ra. Nó giữvai trò quan trọng trong quá trình điều hoà hàm lượng đường trong máu, nó làm giảm hàm lượng đường khi hàm lượng này tăng.

4.3.1. Cấu tạo hoá học, sự tổng hợp, dự trữ và sự tiết của Insuline

Cấu trúc hoá học của Insuline được xác định từ năm 1953 do Sanger (giải thưởng Nobel 1958). Insuline là một hormone protein gồm hai chuỗi với 51 acid amin (KLPT: 5.700 dalton). Khi mới tiết ra dưới dạng proInsuline. ProInsuline gồm 3 chuỗi: Chuỗi A gồm 21 acid amin, chuỗi B gồm 30 acid amin, giữa 2 chuỗi này có hai cầu nối disulfid. Ở chuỗi A có 1 cầu disulfid. Giữa chuỗi A và B là chuỗi C. Chuỗi C gồm có 30 acid amin, nó được nối với chuỗi A và B bởi 2 cặp acid amin kiềm tính (arg.arg và arg.Lyz) (hình 4.16). ProInsuline không có hoạt tính. Khi có nhu cầu về Insuline nó được enzyme peptinase cắt bỏ chuỗi C và tạo thành Insuline có hoạt tính. Insuline ở những động vật khác nhau thì khác nhau chủ yếu ởchuỗi A và tập trung vào các acid amin 8,9,10, 12 và 14, còn chuỗi B hầu như giống nhau, khác nhau chủ yếu ở acid amin 30. Do đó có thể dùng khác loài song hiệu quả không cao.

Sự tổng hợp Insuline.

Polypeptide đầu tiên sản sinh ra Insuline là pre-proinsuline (tiền-tiền Insuline). Pre-proInsuline có chứa thêm một chuỗi khởi đầu gồm 23 acid amin. Chuỗi này có tác dụng nhưmột chuỗi tín hiệu hay còn gọi là chuỗi khởi đầu giúp cho Insuline được tổng hợp bởi polyribosom. Sự cắt ngắn pre-proinsuline thành proinsuline xảy ra trong lưới nội chất nguyên sinh. Sau đó proinsuline được chuyển tới các bể chứa của bộ máy Golgi. Ở đó nó được cắt chuỗi peptide C. Sự tạo thành Insuline từ proinsuline tiếp tục ở nang bài tiết. Ở đây chúng được kết tinh với Zn2+ theo một trình tự nhất định. Khi nhận được tín hiệu nào đó gây ra sựtăng đường huyết, lúc này các bể chứa sẽ giải phóng Insuline và chuỗi C vào máu bởi hiện tượng ẩm bào.

Ion Ca2+ giữ vai trò quan trọng trong việc giải phóng Insuline. Trong máu Insuline và peptide C chiếm khoảng 94%, còn proinsuline chiếm khoảng 6%. Lúc bình thường nồng độInsuline trong máu và trong các mô rất thấp đến nỗi những phương pháp tiêu chuẩn hoặc các thực nghiệm sinh học khó thực hiện hoặc xem xét việc tiết cũng như ứng dụng của nó. Tuy nhiên bằng phương pháp đồng vị phóng xạ cực nhạy người ta thấy máu có chứa khoảng 0,4 μg Insuline trong một ml lit. Sau khi ăn thức ăn giàu đường Insuline có thể tăng 3-4 lần so với mức kể trên. Tuyến tuỵ bình thường của người có chứa khoảng 10 μg Insuline, nhưng lượng tiết vào máu hàng ngày chỉ khoảng từ 1-2μg. Sự giải phóng Insuline khỏi tuyến tuỵ phụ thuộc vào nồng độ glucose trong máu và một số yếu tố khác. Khi glucose huyết tăng cao hơn bình thường thì các bể tiết tiến tới gần màng nguyên sinh chất của tế bào để tuôn vào máu Insuline (hình 4.17).



Chuỗi B Phe Val Asp Gly His Leu Cys Gly Ser His Leu Val Glu Ala Leu Tyr Leu Val Cys Gly Glu ARG S S Gly Phe S S Phe Tyr Chuỗi A Thr Ile Val Glu Gln Cys Cys Ala Ser Val Cys Ser Leu Tyr Gln Leu Glu Asn Tyr Cys Asn Pro Gly S S Lys Arg Ala Lys Arg Gly Arg Pro Glu

Pro Chuỗi C Val Gly Glu Leu Gly Gly Ala Gly Pro Gly Gly Ala Leu Glu Leu Ala Gly Val Llu Pro Gly Glu

Hình 4.16. Công thức cấu tạo của Proinsuline

Nồng độ Insuline trong máu sau đó lại giảm tới mức bình thường trong chu trình nửa giờ hoặc 2 giờ sau bữa ăn. Khi tiết vào máu Insuline được vận chuyển bởi 1 loại protein và một phần với màng của hồng cầu. Sau khi hoạt động xong Insuline bị phân huỷ bởi Insulinease, quá trình này chủ yếu diễn ra ở gan và thận. Sự giải phóng Insuline cũng được kích thích bởi mức độ tăng của acid amin và một số yếu tố đặc hiệu tiết ra từ dạ dày và ruột.

Mô hình 4.17. Sơ đồ tổng hợp và bài tiết Insuline ở tế bào ββββ của tuyến tuỵ



4.3.2. Tác động của Insuline lên mô bào đích

Tác dụng rõ ràng nhất của Insuline với động vật có vú là giảm nhanh chóng hàm lượng glucose trong máu khi hàm lượng này tăng, do việc tăng cường vận chuyển glucose vào máu qua tế bào cơ, gan, lipid. Insuline có tác dụng chuyển dạng của enzyme glycogen syntetase từkhông hoạt động sang trạng thái hoạt động để xúc tiến quá trình sinh tổng hợp glycogen từglucose ở tế bào cơ, tế bào gan. Đồng thời nó ức chế sự phân giải lipid. Một enzyme khác chịu tác động rõ rệt của Insuline là Hexokinase - enzyme có vai trò hoạt hoá glucosse. Glucose sau khi được hoạt hoá sẽ đi vào con đường cung cấp năng lượng cho tế bào và một phần tạo nguyên liệu cho quá trình tổng hợp lipid. Insuline còn thúc đẩy sự tổng hợp protein từ các acid amin, đồng thời nó ngăn cản nhóm hormone Corticosteroid, do đó quá trình sinh mới glucose bị dừng lại.

Về cơ chế tác động của Insuline là cơ chế tác dụng lên màng thông qua chất tiếp nhận đặc hiệu của nó ở màng tế bào đích. Cuatracasas và cộng sự đã tách chiết được các protein Receptor của Insuline từ các tế bào lipid khi dùng các chất tẩy không ion và đã tinh khiết được chúng bằng phương pháp sắc ký ái lực trên các hạt Insuline-agarose. Bằng sắc ký khí ái lực với tính đặc hiệu cao của phản ứng giữa Insuline với chất tiếp nhận Insuline người ta đã thu được những phân tử chất tiếp nhận Insuline đã hoà tan, và đã tinh khiết được trên 250.000 nhóm protein chất tiếp nhận Insuline có khối lượng phân tử khoảng 300.000 dal. Như vậy Insuline có nhiều chất tiếp nhận.

Hình 4.18. Sơ đồ cấu trúc của chất tiếp nhận Insuline



Chất tiếp nhận của Insuline là protein kinase đặc hiệu với Tyrosine, nó vận chuyển một gốc phosphate từ ATP để phosphoryl hoá gốc OH của Tyrosine. Bản thân chất tiếp nhận này là một một glycoproteid, gồm 2 chuỗi α (KLPT 130.000 dal). Chuỗi α nằm ở mặt ngoài màng và chứa một vị trí đặc hiệu để nhận diện Insuline và kết hợp với nó và 2 chuỗi β (KLPT 95.000 dal) nằm ở giữa màng, với gốc carboxyl (-COOH) ở phía dịch bào tương. Chuỗi β có vùng hoạt động Tyrosine-kinase (hình 4.18)

Hình 4.19. Cơ chế vận chuyển glucosse qua màng tế bào của Insuline

Hình 4.19. Cơ chế vận chuyển glucosse qua màng tế bào của Insuline



Khi Insuline kết hợp với chuỗi α, chuỗi β sẽ xúc tác cho phản ứng phosphoryl hoá gốc tyrrozin đặc hiệu của bản thân mình. Phản ứng tự phosphoryl hoá ở vị trí xúc tác của chuỗi βđã làm tăng khả năng phosphoryl những gốc Tyrosine của những protein ở bào tương của tếbào đích. Sự kết hợp của Insuline với chất tiếp nhận của nó làm tăng tốc độ vận chuyển glucosse qua màng tế bào (hình 4.19).

Tác động của Insuline là trái ngược với 4 hormone: glucagon, Adrenalin, Glucocorticosteroid và hormone sinh trưởng của tuyến yên. Ngoài sự điều hoà trao đổi glucid, Insuline còn ảnh hưởng gián tiếp đến các quá trình trao đổi dinh dưỡng khác. Khi thiếu Insuline thì ngoài sự làm tăng hàm lượng đường trong máu gây nên chứng dia betes mellidus (bệnh đường niệu), nó còn làm giảm hàm lượng glycogen ở cơ, ở gan, thể xton trong máu tăng lên do sư ôxy hoá lipid tăng, mặt khác sự tổng hợp chúng lại giảm, tốc độ phân giải protein cũng tăng, điều này được thể hiện tăng lượng nitơ bài tiết theo nước tiểu và có sựchuyển hoá các acid amin thành glucose. Người ta có thể giải thích sự tăng phân giải lipid và protein là do tế bào thiếu năng lượng. Vì khi thiếu Insuline sẽ làm giảm độ thẩm thấu glucose của tế bào (hình 4.19), làm giảm hoạt lực của enzyme Hexokinase. Do đó thừa đường mà tếbào lại thiếu năng lượng. Tế bào phải lấy năng lượng từ lipid và protein.

Sự giảm ôxy hoá glucose được chứng minh qua thí nghiệm với các đồng vị phóng xạ. Người ta đưa glucose đã được đánh dấu bằng C14 phóng xạ vào động vật thiếu Insuline, bằng con đường đo hoạt tính phóng xạ của khí CO2 thở ra có thể xác định được sự oxy hoá glucose trong cơ thể. Người ta chỉ thấy một phần rất nhỏ của C14 trong khí CO2 thở ra, khi con vật được tiêm Insuline thì C14 trong khí CO2 thở ra tăng lên rõ rệt.

4.4. Tốc độ trao đổi chất cơ bản và hormone tuyến giáp.

Tốc độ trao đổi chất cơ bản (BMR) là tốc độ tiêu thụ oxy được đo trên đối tượng sống ởtrạng thái nghỉ hoàn toàn nhưng không phải là trạng thái ngủ. Cách này được thực hiện ởtrạng thái sau bữa ăn ít nhất là 2 giờ. BMR được biểu hiện bằng kilocalori nhiệt lượng được tạo ra hoặc thể tích oxy được tiêu thụ bởi 1 m2 trong 1 giờ. Vì nó quan hệ trực tiếp giữa năng lượng giải phóng từ sự đốt cháy các chất dinh dưỡng và lượng oxy được tiêu thụ, điều này được thể hiện qua phương trình hô hấp RQ (Respiratory quaotient).

CO2

RQ = -------

O2

Chỉ số RQ của một số chất dinh dưỡng như sau (bảng 4.2).

Bảng 4.2. Chỉ số RQ của một số chất dinh dưỡng Nhiên liệu RQ W tạo ra của 1g

nhiên liệu (Kcal)

Lượng O2 tiêu tốn

(lit) Glucid 1,00 4,18 5,05 Lipid 0,71 9,46 4,69 Protein 0,80 4,32 4,46



Hormone điều hoà trao đổi chất cơ bản là hormone của tuyến giáp bao gồm 2 chất chính sau là:

Triiodotyronin T3 (L 3,5, 3/ triiodotyronin) và Tetraiodtyronin (Thyroxin) T4 (L 3,5,3/

5/ - tetraiodotyronin)

Khi giảm hoạt động của tuyến giáp thì sự trao đổi chất cơ bản giảm xuống, sự bài tiết nitơ giảm. Ngược lại khi tăng hoạt động của tuyến giáp thì sự trao đổi chất cơ bản tăng, sự bài tiết nitơ tăng. Những thay đổi trong việc sản xuất hormone của tuyến giáp của con người đều dẫn tới những trạng thái bệnh lý sau:

Khi nhược năng tuyến giáp dẫn đến chứng đần độn và phù niêm (myxoedema) ở trẻnhỏ, còn ở người lớn là phù niêm. Những nét đặc trưng của bệnh là tầm vóc lùn, phát triển chậm, tính lạnh lùng, nói chậm, hoạt động trí óc thấp, mặt tròn, lưỡi to, môi sưng dày. Ngoài ra còn có triệu chứng phì, ăn mất ngon.

Khi ưu năng tuyến giáp là kết quả của sự sản xuất hormone tăng lên của tuyến giáp. Các triệu chứng của trạng thái này là sự trao đổi chất cơ bản tăng cao, cơ thể gầy đi nhanh, nhịp tim cao, tăng tốc độ chảy máu, đôi khi xảy ra lồi mắt, bản thân tuyến giáp tăng to lên (Struma).

Bệnh bướu cổ là do sự lớn lên với mức độ cao của tuyến giáp. Cơ sở của bệnh này là sựxâm nhập không đầy đủ iod vào cơ thể, do vậy mà lớp biểu bì tuyến giáp tăng một cách đều, bệnh này thường gặp ở các địa phương mà trong thức ăn, nước uống thiếu iod.

Hoạt động tăng lên hay giảm xuống của tuyến giáp phụ thuộc vào yếu tố có ảnh hưởng tới những hoạt động của nó: Hệ thần kinh trung ương ảnh hưởng đến sự trao đổi chất bằng sựthay đổi hoạt động của tuyến giáp, nó tác động thông qua hormone tyreotropin (TSH) của tuyến yên, hormone này một mặt làm tăng sự tích luỹ iod trong tuyến giáp mặt khác có thểlàm tăng các tế bào nội tiết hipeplazi của tuyến giáp từ đó làm tăng sự hoạt động của tuyến này.

Sự tiêu thụ oxy của hầu hết các mô bào, đều bị ảnh hưởng của hormone tuyến giáp trừnão, tốc độ tiêu thụ ôxy của não không bị ảnh hưởng bởi trạng thái của tuyến giáp.

Thyroxin và 3,5,3/ triiodtyronin là những dẫn xuất iod của Tyrosine. Mặc dù Thyroxin được tạo ra nhiều hơn triiodtyronin nhưng triiodtyronin lại có hoạt tính cao hơn 5-10 lần.

Người ta đã chứng minh được rằng các iodua khi xâm nhập vào cơ thể đều được tuyến giáp thu hút rất mạnh, so với nồng độ của các iodua trong máu thì nồng độ của chúng trong tuyến giáp lớn hơn tới 25-500 lần. Từ các iodua, nhờ khả năng oxy hoá của tuyến giáp tạo thành iod. Từ các iod thu được này dưới ảnh hưởng của enzyme đặc hiệu mà nó iod hoá



(IOD) các gốc Tyrosine của tireo Globulin. Cần nhớ rằng điều này không xảy ra đối với Tyrosine tự do trong tuyến giáp mà nó chỉ riêng cho Tyrosine trong protein của tireoglobulin. Tireo globulin đã được iod hoá sẽ được catepxin đặc hiệu của tuyến giáp phân giải để tạo thành đồng thời Thyroxin và triiodtyronin. Ở máu Thyroxin và triiodtyronin được liên kết với chất vật chuyển là TBG (Thyroxin binding globulin). Sau khi hoạt động xong chúng được phân giải bởi enzyme dehydrogenase giải phóng iod, iod này được xâm nhập lại để tái sửdụng.

Ở một số trường hợp chứng đần độn được di truyền vì ở những người này không có những enzyme đặc hiệu tham gia trong quá trình sản xuất hormone của tuyến giáp như trường hợp không có enzyme oxy hoá các iodua thành iod, một số trường hợp lại không có enzyme ngưng tụ các iod tironin thành Thyroxin, hoặc không có enzyme dehydrogenase nên không có quá trình tái sử dụng được iod, kết quả là mất iod dẫn đến thiếu Thyroxin.

Về cơ chế tác dụng: Cơ chế chính xác về sự kích thích tiêu thụ oxy của Thyroxin chưa được rõ, nhưng người ta đã biết Thyroxin thúc đẩy sự làm tăng nồng độ của một vài enzyme có liên quan đến hô hấp, đặc biệt là glyxerol -3-phosphate dehydrogenase của ty thể, một enzyme dehydrogenase có chức năng trong chuỗi hô hấp. Người ta thấy rằng trong trường hợp những con chuột bị ưu năng tuyến giáp thì chỉ số P/O giảm (tức là năng lượng đi vào tích luỹ tạo thành ATP giảm và tạo ra nhiệt năng tăng). Tác dụng này cũng được chứng minh cảtrong invidro, khi cho thêm Thyroxin hoặc triiodtyronin thì tỷ số P/O trong các ty thể của gan giảm xuống, trong khi đó sự sử dụng oxy lại tăng lên. Ngoài ra Thyroxin còn gây nên sự biến thái của nòng nọc, bằng phương pháp phóng xạ người ta thấy rằng Thyroxin phóng xạ gắn rất mạnh với chromatin ở tế bào gan của nòng nọc, điều đó dẫn tới giả định cho rằng chức năng của Thyroxin làm nới lỏng các gen đặc hiệu.

YÊU CẦU CẦN NẮM CHƯƠNG IV : HORMONE

Khái niêm, vai trò sinh học của hormone và mối liên hệ thần kinh -thể dịch Phân loại hormone. Cơ chế tác dụng của hormone

Câu 1: Khái niệm, bản chất và vai trò của hormone? Câu 2: Hormone là gì? Vai trò sinh học của Hormon? Câu 3: Phân loại hormone? Cho biết nguyên lý về cơ chế tác dụng của hormone? Câu 4: Receptor và các thông tin nội bào? Câu 5: Cơ chế tác dụng thông qua màng của hormon? Câu 6: Cơ chế tác dụng thông qua gen của hormone?



CHƯƠNG V

TRAO ĐỔI VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

1. Trao đổi vật chất là gì?

Bất cứ một sinh vật nào cũng tồn tại trong một môi trường nhất định, có không gian và thời gian nhất định và có quan hệ chặt chẽ với môi trường mà nó sống. Sinh vật và môi trường là một hệ thống thống nhất, nó chịu sự chi phối của môi trường, dựa vào môi trường để sống, đồng thời chúng tác động vào môi trường, gây ảnh hưởng tới môi trường. Hiện tượng trao đi đổi lại đó người ta gọi là trao đổi vật chất (t.đ.v.c). Sinh vật muốn tồn tại được là nhờ trao đổi vật chất. Quá trình này tiến hành không ngừng từ lúc hình thành cơ thể ở dạng phôi bào đến lúc già và chết. Trao đổi vật chất là tiêu chuẩn quan trọng nhất của hiện tượng sống (trừ trạng thái tiềm sinh). Giới vô cơ cũng có t.đ.v.c nhưng qua đó nó bị hao mòn. Trái lại thông qua t.đ.v.c mà giới sinh vật sinh sôi nảy nở và phát triển. Sự khác biệt về chất lượng này xuất phát từ khả năng t.đ.v.c ở sinh vật có sự chọn lọc và cải biến các yếu tố ngoại cảnh, nó hấp thu những yếu tố cần thiết của môi trường và biến hoá những yếu tố đó thành dạng thích hợp cho cơ thể để phát triển.

Trao đổi vật chất bao hàm những nội dung gì? Sinh vật thực hiện t.đ.v.c. với môi trường mà nó sống, nó lấy từ môi trường những yếu tố dinh dưỡng, khí O2, H2O, khoáng.. một cách có chọn lọc và đào thải ra môi trường những yếu tố không cần thiết từ trong cơ thể, trong quá trình tiếp nhận và đào thải đó sinh vật tác động qua lại với ngoại cảnh theo hai hướng, hai quá trình gắn chặt với nhau đó là quá trình đồng hoá và quá trình di hoá.

Quá trình đồng hoá gồm những bước sau:

Chọn lọc những yếu tố từ bên ngoài (lúc này chọn lọc có tính chất thô qua thị giác, thính giác, xúc giác, vị giác...như con vật ăn thức ăn)

Xử lý để hấp thu (quá trình tiêu hoá hấp thu), sau quá trình này các yếu tố ngoại cảnh đã được chuyển vào nội mô.

Từ các yếu tố chọn lọc đó, sinh vật kiến tạo nên những yếu tố của cơ thể (enzyme,kháng thể...) để duy trì sự tồn tại và phát triển.

Quá trình đồng hoá có tính chất xây dựng, thông qua quá trình này các yếu tố ngoại cảnh đã biến thành các yếu tố của cơ thể. Các nguyên liệu thức ăn lấy từ môi trường bên ngoài vào đã biến thành những chất thích hợp, đặc trưng cho cơ thể. Từ những yếu tố đó, sinh vật xây dựng cải tạo các mô bào, các hoạt chất của cơ thể. Đối với người và gia súc, quá trình đồng hoá là quá trình sử dụng các nguyên liệu từ thức ăn thu được để tạo nên các mô bào.

Song song với quá trình xây dựng này, trong cơ thể sinh vật luôn luôn có quá trình thứhai, đó là quá trình dị hoá.

Quá trình dị hoá:

Từ trong cơ thể ngay từ bước chọn lọc xử lý để hấp thu cơ thể sinh vật đã loại thải những yếu tố không cần thiết, quá trình này được tiếp tục thực hiện trong từng tế bào để loại thải những yếu tố không cần thiết già cỗi ra ngoài dưới dạng những chất đào thải. Quá trình



phân giải các chất có hiện tượng giải phóng năng lượng, năng lượng này được dùng vào các quá trình sống của cơ thể.

Hai quá trình này xét khái quát thì có vẻ mâu thuẫn, nhưng xét về logic thì đây là hai quá trình mâu thuẫn nhưng thống nhất với nhau, là hai mặt khăng khít của một vấn đề. Đây là hai quá trình tiến hành song song trái ngược nhau, nhưng hỗ trợ lẫn nhau, không có đồng hoá thì không có dị hoá và ngược lại. Thật vậy, quá trình đồng hoá tạo ra mọi thành phần của cơthể trong đó có những enzyme xúc tác. Có những enzyme này thì những phản ứng phân giải của quá trình dị hoá mới tiến hành được, nhưng mọi phản ứng tổng hợp ở cơ thể đều cần đến năng lượng được sản sinh ra do quá trình dị hoá.

Ngoại cảnh (môi trường) đối với một sinh vật là tất cả những gì bao quanh sinh vật đó, gồm những yếu tố thuận lợi cũng như yếu tố cản trở sự tồn tại của nó. Muốn duy trì và phát triển, mỗi động vật phải thích nghi, phải khai thác được những yếu tố cần thiết cho sự tồn tại.

Đồng hoá và dị hoá được đặc thù ở từng loài, giống, giới, tiến tới từng cá thể sinh vật. Cách đồng hoá, dị hoá đặc trưng đó người ta gọi là kiểu trao đổi vật chất (k.t.đ.v.c). Vậy kiểu trao đổi vật chất là cách sử lý tiếp thu các điều kiện ngoại cảnh một cách đặc thù, cách thực hiện các phản ứng hoá sinh đặc thù. Chính kiểu trao đổi vật chất là cơ sở của khái niệm loài và giống, loài giống khác nhau là do kiểu trao đổi vật chất khác nhau. Những biến đổi trong tiến hoá chính là những biến đổi về k.t.đ.v.c.

Kiểu trao đổi vật chất có nền tảng vật chất cụ thể là các hệ thống enzyme hay nói khác đi kiểu trao đổi vật chất được quyết định bởi các hệ thống enzyme đó, enzyme có bản chất là protein nên chính protein quyết định kiểu trao đổi vật chất. Enzyme hay protein là hệ thống có khả năng biến đổi thích nghi thông qua những ảnh hưởng kéo dài của ngoại cảnh, đó chính là nền tảng của sự tiến hoá, của lai tạo giống. Khi điều kiện môi trường đã ổn định thì kiểu hoạt động của các hệ thống enzyme đó ổn định và được lưu lại trong hệ thống di truyền, trong cấu trúc của DNA, nên kiểu trao đổi vật chất là một hệ thống ổn định chứ không cố định và có thểthay đổi tuỳ theo mức độ thay đổi của môi trường.

Quá trình trao đổi vật chất ở động vật được thể hiện ở sơ đồ sau (Hình 5.1).

2. Trao đổi năng lượng

Một sinh vật muốn tồn tại được cần phải có năng lượng. Cơ thể sống khác cơ bản với vật không sống là đòi hỏi sự chi phí liên tục về năng lượng để thực hiện quá trình sống. Sống là quá trình chống lại Antropi ΔS ( ΔS = q/T - nguyên lý thứ hai của nhiệt động học). Antropi là hàm trạng thái, nó chỉ chiều hướng diễn biến của các quá trình. Chiều hướng của các quá trình tự diễn là luôn hướng về phía đạt tới trạng thái cân bằng, tức là theo chiều hướng thủtiêu khả năng sinh ra công, hay là san bằng thừa số cường độ (thừa số không có cộng tính nhưnhiệt độ, nồng độ, áp suất...) tức là làm cho Antropi đạt tới cực đại. Quá trình sống cũng tuân thủ theo quy luật này, do đó cơ thể sinh vật muốn duy trì trạng thái sống thì đòi hỏi phải có năng lượng để duy trì Antropi ở trạng thái cực tiểu. Muốn vậy nó phải khai thác năng lượng từcác yếu tố ngoại cảnh như thức ăn, nước uống.

Sinh vật là một hệ thống mở, trong cơ thể bao giờ cũng tiến hành đồng thời hai loại phản ứng toả nhiệt và thu nhiệt, nên Antropi bao giờ cũng ở trạng thái cực tiểu.

Trong nhiệt động học ta biết: ΔG = ΔH + T. ΔS. Trong đó ΔG là biến đổi năng lượng tự do của hệ thống (tức là năng lượng có khả năng sinh ra công); ΔH là nhiệt lượng toả ra hay



thu vào hệ thống, T là nhiệt độ tuyệt đối của quá trình. ΔS là biến đổi Antropi. Do cơ thể là một hệ thống mở có trạng thái ổn định nên ΔS coi bằng 0. Do đó biến đổi năng lượng tự do của quá trình gần giống như hiệu quả nhiệt tức là ΔG ≈ ΔH và trong thực hành người ta đánh giá giá trị năng lượng của quá trình qua nhiệt lượng (đơn vị là Jun, calo..).

Hình 5.1. Sơ đồ của quá trình trao đổi vật chất ở động vật

Giai đoạn I

(Tiêu hoá, hấp thu)

Giai đoan II

( Chuyển hoá trung gian)

Giai đoạn III ( Oxy hoá)

Protein Glucid Lipid

Acid amin Đường đơn(Glucose)

Glyceral Acid béo

Acid Pyruvic

Acetyl CoA

Chu trình Krebs

CO2 2H+ H2O

Chuỗi hô hấp

ATP



2.1. Sinh vật sống bằng năng lượng gì? Tất cả sinh vật trên trái đất đều sống bằng năng lượng chuyển đổi điện tử của nguyên tử hydro, theo con đường oxy hoá khử.

Dựa theo cách khai thác năng lượng từ nguồn dinh dưỡng hữu cơ chứa cacbon, người ta chia sinh vật thành hai nhóm:

Nhóm tự dưỡng (Autotrophe): Nhóm này gồm có quang dưỡng: sống bằng năng lượng ánh sáng mặt trời và hoá dưỡng: sống bằng năng lượng hoá học (oxy hóa S, Fe ...)

Nhóm dị dưỡng (Heterotrophe): sống bằng năng lượng của sinh vật khác.

Nhìn chung nguồn gốc năng lượng mà sinh vật trên trái đất sử dụng là năng lượng ánh sáng mặt trời thông qua quá trình quang hợp của cây xanh (diệp lục) mà quang năng đã biến thành hoá năng:

hν

6 CO2 + 6 H2O -------------- > C6H12O6 + 6 O2

Diệp lục

Xét về mặt năng lượng C6H12O6 là vật chứa năng lượng (dự trữ hoá năng). Trong quá trình quang hợp, năng lượng của lượng tử ánh sáng đã chuyền cho e của diệp lục, e của diệp lục nhận được hν đã chuyển lên mức năng lượng cao hơn, từ trạng thái mức năng lượng cao đó nó di chuyển qua các thành viên của quá trình phosphoryl hoá-quang hoá như feredoxyl, xytocrom b, f... Trong quá trình chuyển dịch như vậy nó "nhả" năng lượng, năng lượng này được các thành viên trên tích luỹ vào ATP (biến ADP thành ATP), khi trở về mức năng lượng thấp (mức năng lượng ban đầu) nó trở lại diệp lục. Từ các ATP này mà tế bào cây xanh tổng hợp được C6H12O6 từ CO2 và H2O (trong pha tối ).

Hydro nằm trong phân tử nước có điện tử ở mức năng lượng thấp, khi ở phân tử đường điện tử của nó ở mức năng lượng cao hơn, chính năng lượng ánh sáng đã được tích luỹ ở điện tử có mức năng lượng cao này. Toàn bộ quá trình khai thác năng lượng ở sinh vật dị dưỡng chỉ là quá trình đưa điện tử có mức năng lượng cao trở về bậc năng lượng ban đầu. Số năng lượng dư thừa đó đã được chuyển sang các dạng cần cho quá trình sống (nhiệt năng, ATP...). Quá trình khai thác năng lượng này được gọi là quá trình oxy hoá khử sinh học và được thực hiện bởi một cơ chế gọi là chuỗi hô hấp hay còn gọi là sự hô hấp mô bào.

2.2. Sự hô hấp mô bào (quá trình oxy hóa-khử sinh học)

Đây là cách khai thác năng lượng các hợp chất hữu cơ bao quát nhất của sinh vật dịdưỡng, trong đó e cao năng của hợp chất hữu cơ được hạ thấp dần mức năng lượng, số năng lượng dự trữ được giải phóng ra và được cất giữ dưới hình thức thích ứng tuỳ theo từng sinh vật mà trước hết là vào các liên kết phosphoryl cao năng (∼ P ).

Quá trình oxy hóa khử sinh học là gì? bản chất nó không khác gì các quá trình oxy hóa khử hoá học tức là quá trình trao đổi điện tử:

A -e + B � A+ + B -e ( A là chất khử, B là chất oxy hóa ).

Tuy nhiên quá trình oxy hóa-khử sinh học, sở dĩ là sinh học vì:

Quá trình diễn ra từ từ, do đó năng lượng toả ra không mãnh liệt, không ào ạt, biến đổi năng lượng tự do của hệ thống không lớn, không gây ảnh hưởng tới môi trường tế bào.



Quá trình xảy ra do enzyme xúc tác, do một hệ thống enzyme bố trí liên hoàn với nhau thành một chuỗi, một dây chuyền nên có tên gọi là chuỗi hô hấp.

Quá trình diễn ra trong môi trường nước (môi trường hoạt động của enzyme).

Năng lượng toả ra phần lớn được cất giữ vào các liên kết cao năng như ATP, UTP... Sựtích luỹ hay toả nhiệt phụ thuộc vào yêu cầu của mô bào.

Chuỗi hô hấp được phân bố ở màng trong của ty lạp thể, màng của diệp lạp thể, màng của vi sinh vật.

Ty lạp thể (midochondrie) có thể ví như trạm điện của cơ thể. Cấu tạo của nó gồm màng ngoài (không có vai trò về năng lượng), màng trong gồm nhiều nếp gấp để tăng diện tích, nó liên quan tới số lượng chuỗi hô hấp điều này phụ thuộc vào chức năng của từng loại mô bào. Giữa hai lớp màng là khoảng không gian và trong cùng là phần chất nền, ở đây có DNA riêng của ty lạp thể (hình 5.2.).

Hình 5.2. Cấu tạo của ty lạp thể ( midochondrie)



Các thành viên của chuỗi hô hấp:

Một số enzyme dehydrogenase: ứng với các cơ chất khác nhau có các coenzyme NAD+, NADP+, FAD+...

Hệ thống vận chuyển điện tử bao gồm:

Hệ thống ubiquinon (UQ).

Hệ thống cytocrome như b, c1, c, a. a3...

Nhóm sắt không hem (Feredoxin).

Chuỗi hô hấp được biểu diễn theo sơ đồ sau (hình 5.3).

S

H

HNAD+ NADH2 FAD+ FADH2 UQ

UQ

H+

H+H+ H+ H+ H+

H+ H+H+

H+

e

e

H+

H+

ee

e

e

ee e

e

Xyt b Xytc1 Xytc Xytaa3 1/2 O O- H2Oe e

e ee

e

e e e

e

Hình 5.3. Sơ đồ của chuỗi hô hấp

Cơ chất là chất cho các cặp H+ cao năng, cho năng lượng ví dụ các acid béo, các phân tửđường...

R CH CH

H

COOH

H ----------> cặp hydro có thể cho

Trước hết cơ chất bị tách H+ do enzyme Dehydrogenase tương ứng, thường bắt đầu từDehydrogenase có nhóm ghép là NAD+ (Nicotin amid Adenin Dinucleotide) (hình 5.4).



NAD+ sau khi nhận cặp H+ và e thành NADH2, nó lại trở thành đối tượng tác động của enzyme Dehydrogenase có nhóm ghép là FAD+ (Flavin Adenin Dinucleotide) (hình 5.5).

Hình 5.4. NAD nhận cặp Proton và điện tử



Hình 5.5. FAD nhận cặp Proton và điện tử

FAD+ nhận được cặp H+ chuyển thành FADH2, FADH2 lại chuyển cặp H+ và e cho UQ (hình 5.6).



Hình 5.6. Ubiquinone nhận cặp Proton và điện tửTừ UQ cặp H+ đi ra ngoài môi trường, cặp e đi qua hệ thống cytocrome. Cytocrome

nhận e, nguyên tử sắt từ Fe+3 thành Fe+2, đến cytocrome a3 nó sẽ hoạt hoá 1/2O2 thành O-, O-

kết hợp với cặp H+ từ UQ chuyển vào thành H2O.

Hình 5.7. Sắt trong cytocrome ở dạng oxy hoá và dạng khử.

Ở các loài vi khuẩn yếm khí, chất nhận cặp Proton và e không phải là O2 mà mỗi loài vi khuẩn yếm khí có chất nhận đặc trưng riêng. Ví dụ tế bào men rượu chất nhận là aldehyt axetic để trở thành rượu ethylic.

CH3 - CHO + NADH2 � CH3 - CH2OH + NAD+

Chuỗi hô hấp phân bố ở màng trong của ty lạp thể về mặt không gian đây là nơi tiếp xúc với phần chất nền là nơi thực hiện quá trình oxy hoá các hợp chất hữu cơ.

Một số enzyme như xantin oxydase sau khi nhận cặp e và Proton nó chuyển cho O2 tạo thành H2O2 - là chất còn giầu về năng lượng, đây là chất độc đối với cơ thể vì nó phân ly tạo ra oxy nguyên tử [O]. Oxy nguyên tử có tính oxy hoá cao làm phá vỡ các màng sinh vật, cơthể giải độc chúng bằng cách tiết enzyme catalase phân giải chúng thành nước và oxy phân tử:

Catalase

2 H2O2 -------------------> 2H2O + O2



2.3. Quá trình phosphoryl hoá (quá trình tích luỹ năng lượng)

Năng lượng giải phóng ra trong quá trình hô hấp mô bào, một phần toả ra dưới dạng nhiệt năng sưởi ấm cơ thể, một phần được tích luỹ lại thông qua quá trình phosphoryl hoá. Đây là quá trình quan trọng vì thông qua đó đã tạo ra các hợp chất cao năng mà điển hình là chất ATP (Adenozin triphosphate) (hình 5.8).

Hình 5.8. Cấu trúc phân tử ATP

Gốc acid phosphoric mất đi một nhóm OH thì gọi là gốc phosphoryl

P O

OH

OH

HO p O

OH

OH

~- OH

Acid phosphoric Gốc phosphoryl

Khi nó nhận một chất nào đó thì chất đó gọi là chất được phosphoryl hoá, ví dụ chất A:

p O

OH

OH

~A +p O

OH

OH

~A

Quá trình phosphoryl hoá được thực hiện bởi enzyme phosphopherase (enzyme vận chuyển phosphate) hay còn gọi là kinase. Quá trình tích luỹ năng lượng trong cơ thể động vật thông qua phản ứng phosphoryl hoá được thực hiện theo 2 cách:

Cách 1: phosphoryl hoá bậc cơ chất: Ví dụ từ acid 1,3 di P glyxeric (hình 5.9).

Hình 5.9. Phosphoryl hoá bậc cơ chất

Quá trình tách gốc phosphate cao năng (∼ P) từ cơ chất không qua quá trình trao đổi e, quá trình này hiệu quả khai thác năng lượng không cao.

Cách 2: phosphoryl hoá - oxy hoá ( quá trình tạo ATP do sự chuyển đổi e xảy ra trong chuỗi hô hấp). Vấn đề đặt ra là năng lượng được giải phóng ra trong quá trình hô hấp từ các cặp e cao năng làm thế nào để gắn được vào gốc phosphoryl (∼ P) để biến ADP thành ATP?



Quá trình phosphoryl hoá - oxy hoá là một quá trình rất độc đáo trong hệ thống khai thác năng lượng của tự nhiên. Người ta đã xác định được vị trí thực hiện quá trình này, đó là màng trong của ty lạp thể, màng của diệp lạp thể, màng của VSV. Ở tất cả những màng này đều có một cấu trúc đặc biệt gọi là cấu trúc hình nấm, ở ty lạp thể cấu trúc này hướng vào bên trong chất nền, ở diệp lạp thể hướng ra bên ngoài.

Màng thực hiện quá trình phosphoryl hoá - oxy hoá gọi là màng "hợp diễn" (couphingmembrane) tức là màng thực hiện đồng thời hai quá trình: oxy hoá cho năng lượng và phosphoryl hoá để tích luỹ năng lượng đó (hình 5.10).

Đặc điểm của màng hợp diễn là: Trong màng tỷ lệ protein/lipid = 2/1; Chiều dày của màng ổn định và bằng khoảng 70-90 A0; Trong màng có chứa chuỗi hô hấp đồng thời có chứa hệ thống enzyme để thực hiện quá trình phosphoryl hoá, tức là quá trình tích luỹ năng lượng do quá trình oxy hoá giải phóng ra. Quá trình đó tạo ra ATP nên hệ thống enzyme này được gọi là adenozin triphosphatase (hay là ATPase). Hai quá trình oxy hoá và phosphoryl hoá bao giờ cũng tiến hành đồng thời trong màng hợp diễn nên người ta gọi là 2 quá trình "hợp diễn".

Bằng phương pháp đo thế năng oxy hoá hoàn nguyên và qua hệ số hô hấp P/O (P dùng để este hoá và O tiêu thụ, người ta thấy rằng mỗi cặp e và Proton qua chuỗi hô hấp mang đủnăng lượng để lập được 3 ATP (P/O = 3), tức là:

2e + 2 H+ + O ------- > H2O � O = 1

3ADP + 3H3PO4 ------- > 3ATP � P = 3

Nghĩa là khi dùng một nguyên tử oxy cho quá trình hô hấp thì cơ thể thu được 3 ATP. Người ta cũng đã xác định được 3 vị trí tạo ra ATP, đó là: NAD � FAD, Cytocrome b �cytocrome c1 và cytocrome a � a3.

Từ H3PO4 làm thế nào thành gốc phosphoryl cao năng (∼∼∼∼ P) và tạo thành ATP? có nhiều giả thiết như lý thuyết màng hợp diễn hoá học của Lehninger năm 1972 (có hợp chất hoá học trung gian X,Y,Z nào đó nhận năng lượng của quá trình oxy hoá rồi chuyển cho gốc phosphoryl); Thuyết biến hình cấu trúc (có sự biến hình cấu trúc của một loại protein nào đó để tạo ra thế năng rồi chuyền cho gốc phosphoryl), nhưng đều không có tính thuyết phục. Thuyết phục hơn cả là thuyết hoá thẩm thấu do Peter Midchell đề xướng năm 1962 và được Skonlatsov chứng minh năm 1972.

Theo thuyết hoá thẩm thấu của Peter Midchell thì cặp Proton được tách ra từ cơ chất do enzyme Dehydrogenase, sau khi đến UQ được quay trở lại môi trường ngoài, cặp e được vận chuyển tiếp xuyên qua màng vào trong. Như vậy nhờ hoạt động của chuỗi hô hấp đã tạo nên 2 hệ quả quan trọng là:

Thế hiệu điện tích (gradien e), màng trở thành một cái tụ điện với điện thế 90-140 von, với chiều dày 70-90 A0 thì đây là một chất cách điện tuyệt vời nhất trong tự nhiên.

Gradien nồng độ H+, quá trình oxy hoá càng mạnh thì hàm lượng H+ ở mặt ngoài màng càng lớn, chính gradien nồng độ H+ là nhân tố tích lại năng lượng nhiều nhất, nó là động lực chính để gây là quá trình tổng hợp ATP.



Hình 5.10. Cấu trúc của màng “hợp diễn” và quá trình phosphoryl hoá-oxy hoá

Hình 5.11. Quá trình tạo ATP theo thuyết hoá thẩm thấu của Peter Midchell ở lạp thể



Như vậy hoạt động hoá học đã dẫn tới hiện tượng bán thấm của màng về điện tích (nên gọi là hoá thẩm thấu), năng lượng của quá trình oxy hoá tích luỹ lại dưới dạng đầu tiên là một gradien nồng độ H+ và e.

Nhưng từ thế hiệu đó làm thế nào để tích lại ở ATP? Người ta thấy rằng cấu trúc hình nấm của màng có một hệ thống H+ translocase vận chuyển H+ từ mặt ngoài màng vào trong đểlàm giảm gradien nồng độ H+, hệ thống này có 2 yếu tố F1 và F0, H

+ đi qua yếu tố F0 và F1 . Khi qua F1 thì tạo ra ATP từ ADP và Pi. Một cặp H+ qua hệ thống H+ translocase cho ra 1 ATP và 1 cặp e cho 3 ATP.

Vấn đề tạo ra ATP khi H+ qua hệ thống H+ translocase như thế nào? có hai giả thiết:

Giả thiết trực tiếp của Peter Midchell: Theo thuyết này khi cặp H+ đi qua F0 nó tác động vào 1 oxy của H3PO4 tạo thành H2O và gốc phosphoryl cao năng (∼ P), ở F1 có sẵn ADP nó sẽ kết hợp với gốc phosphoryl cao năng này (∼ P) để tạo thành ATP (hình 5.11).

Giả thiết gián tiếp của Boyer: Theo thyết này việc vận chuyển H+ từ bên ngoài vào không có tác dụng trực tiếp tạo ra ATP mà nó tác dụng lên ATPase ở phần Fl làm biến đổi cấu trúc của nó làm cho ATP đã có sẵn ở đó được thoát ra ngoài.

YÊU CẦU CẦN NẮM CHƯƠNG V: TRAO ĐỔI VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

Khái niệm, nội dung của trao đổi vật chất, kiểu trao đổi vật chất. Khái niêm vềtrao đổi năng lượng. Năng lượng sống của sinh vật. Sự hô hấp mô bào. Quá trình photphoryl hoá.

Câu 1: Khái niệm về trao đổi vật chất ở động vật? Cho biết sơ đồ của quá trình này? Câu 2: Thế nào là kiểu trao đổi vật chất ở động vật? Cơ sở vật chất của nó? Câu 3: Trình bày quá trình oxy hoá khử sinh học ở động vật (sự hô hấp mô bào)? Câu 4: Trình bày quá trình photphryl hoá - oxi hoá? Câu 5: Nêu vắn tắt các quá trình sinh hoá chủ yếu tạo ATP ở mô bào động vật?



CHƯƠNG VI

GLUCID VÀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN HOÁ GLUCID

1. Khái niệm và vai trò về glucid

Glucid là những hợp chất hydratcacbon có chứa nhóm aldehyt hoặc ceton ở các monosacarid hoặc tạo thành những chất như vậy khi bị thuỷ phân. Là những chất đường bột, chất xơ, là nguồn dinh dưỡng quan trọng hàng ngày của mọi cơ thể sinh vật. Trong thực vật glucid chiếm 80-90% vật chất khô, chúng được tạo ra do quá trình quang hợp, cơ thể động vật không có khả năng này mà phải thu nhận trực tiếp glucid từ thực vật. Glucid chỉ chiếm 2% vật chất khô của động vật, nhưng nó đóng vai trò quan trọng

Vai trò: có hai vai trò chủ yếu của glucid đối với động vật là:

Vai trò về năng lượng: 1 g glucid khi oxy hoá hoàn toàn cho 4,1 kcalo. Đối với người và gia súc nói chung glucid cung cấp 60-70% nhu cầu về năng lượng cho cơ thể, đối với loài nhai lại như trâu bò dê cừu thì hầu hết nhu cầu về năng lượng là từ glucid. Glucid là chất dựtrữ năng lượng đầu tiên (trước protein và lipid), là sản phẩm đầu tiên của quá trình quang hợp, là nguồn năng lượng trực tiếp dễ dàng khai thác và ít gây biến cố nguy hại cho cơ thể.

Vai trò về tạo hình:

Từ glucose có thể chuyển hoá thành acid glucoronic là chất khử độc số một của cơ thể

Từ glucose có thể amin hoá thành glucozamin hoặc tiếp tục được acetyl hoá thành acetyl glucozamin, đây là 2 chất quan trong trong cấu trúc màng, nó tạo ra yếu tố chỉ định tính kháng nguyên của màng (ví dụ màng của hồng cầu).

Hình 6.1. Sự chuyển hoá của Glucose thành các hợp chất cấu tạo

Acid hyalucoronic là chất "xi măng" có tác dụng gắn các tế bào với nhau, khi chất này bị phân huỷ thì mô bào bị tan rã, enzyme phân huỷ chúng là hyalucoronidase (enzyme này có tính đặc hiệu theo loài).

Heparin là chất chống đông máu.

Các đường ribose và desoxiribose là thành phần cấu tạo của acid nucleic.



2. Phân loại

Glucid được phân loại thành hai nhóm lớn: Monosaccharide (ose, đường đơn) và loại ozid (loại đa đường)

2.1. Monosaccharide (ose, đường đơn) là đơn vị cấu tạo của glucid không bị thuỷ phân thành chất đơn giản hơn. Tuỳ theo số carbon trong liên kết hydrocarbon mà người ta phân thành các nhóm:

2.1.1. Triose: (C3H6O3). Đại diện là glyxerose (glyxeraldehydeyt)

2.1.2. Tetrose: (C4H8O4). Đại diện là erytrose, treose

O

C

C

CH 2 OH

OHH

H

O

C

C

C

OHH

H

D .G lyx e ro se

CH 2 OH

OHH

O

C

C

C

HHO

H

CH 2 OH

OHH

D .e ry tro se D .tre o s e

2.1.3. Pentose: (C5H10O5). Đại diện là ribose, desoxyribose, arabinose, xylose

O

C

C

C

HH

H

C

OHH

CH 2OH

OHH

O

C

C

C

OHH

H

C

OHH

CH 2OH

OHH

O

C

C

C

HHO

H

C

OHH

CH 2OH

OHH

O

C

C

C

OHH

H

C

HHO

CH 2OH

OHH

D .ribose D .desoxiribose D .arabinose D .xylose

2.1.4. Hexose ((C6H12O6). Đại diện là glucose, galactose, alose, manose

O

C

C

C

OHH

H

C

HHO

C

OHH

CH 2OH

OHH

O

C

C

C

OHH

H

C

OHH

C

HHO

CH 2OH

HHO

O

C

C

C

OHH

H

C

OHH

C

OHH

CH 2OH

OHH

O

C

C

C

HHO

H

C

HHO

C

OHH

CH 2OH

OHH

O

C

C

C

OHH

H

C

HHO

C

HHO

CH 2OH

OHH

D .alose D .glucose D .m anose D .galactose



Ngoài những chất monose có nhóm aldehydeyt kể trên còn có loại monose chứa nhóm ceton như ribulose, fructose

CH 2OH

C

C

O

C

HHO

C

OHH

CH 2OH

OHH

D.fructose

CH 2OH

C

C

O

C

OHH

CH 2OH

OHH

D.ribose

2.2. Loại ozid (loại đa đường): là những glucid phức tạp do nhiều đường đơn ghép lại. Loại này gồm hai nhóm lớn là holozid và heterozid.

2.2.1. Holozid: là loại đa đường khi thuỷ phân cho ra đường đơn, nên còn gọi là glucid đơn thuần. Nhóm này gồm có:

Oligosaccarid (Oliose): có cấu trúc đơn giản gồm từ hai đến ba đường đơn nên còn gọi là disaccarid, trisaccarid.

Polysaccarid (polyose): có cấu trúc phức tạp gồm nhiều đường đơn tạo thành. Những đại diện chính là tinh bột, Glycogen, Cellulose, Hemicellulose...

2.2.2. Heterozid: là loại đa đường không thuần nhất, có cấu tạo phân tử và thành phần phức tạp. Ngoài các đường đơn còn có các dẫn xuất của đường đơn như Hexozamin, Hexosunfat... Đại diện như mucopolysaccarid, chất điển hình như acid hyaluronic. Loại này có trong dịch bao khớp, trong thuỷ tinh thể của mắt và trong nhiều mô bào khác. Khối lượng phân tử khoảng 200-500 ngàn Dal, hoà tan trong dung dịch rất nhớt. Nhờ tính này nên acid hyaluronic được ví như chất “xi măng” gắn các tế bào trong mô. Đem thuỷ phân chất này người ta được acetyl – glucozamin và acid glucoronic. Công thức cấu tạo như sau:

COOH

O

CH 2OH

NH CO CH 3

OO O

3. Tiêu hoá, hấp thu và dự trữ glucid ở động vật.

3.1. Tiêu hoá, hấp thu tinh bột

Tinh bột là chất dự trữ glucid của thực vật, có nhiều trong các hạt ngũ cốc, các loại củnhư khoai sắn..., nó là nguồn năng lượng chính của động vật. Thành phần của tinh bột gồm: Amylose chiếm 20% khối lượng tinh bột và Amylopectin chiếm 80% khối lượng tinh bột. Chúng đều được cấu tạo từ các α-D - glucose. Ở Amylose các phân tử glucose liên kết với nhau bằng liên kết α-D - glucoside 1-4. Ở Amylopectin ngoài liên kết α-D - glucoside 1-4, các phân tử đường còn liên kết với nhau bằng liên kết α-D - glucoside 1-6, khoảng cách giữa



các liên kết glucoside 1-6 là từ 20 đến 25 phân tử glucose. Các phân tử glucose trong Amylose ở dạng thuyền nó tạo cho Amylose có dạng xoắn lò xo và tạo thành phức màu xanh với iod nên iod là thuốc thử của tinh bột.

Quá trình tiêu hoá tinh bột là quá trình thuỷ phân bởi enzyme glucozydase1-4 (Amylase) và glucozydase 1-6. Có 4 loại glucozydase:

α- Amylase: do tuyến nước bọt và tuyến tuỵ tiết ra có tác dụng cắt liên kết glucoside 1-4. dưới tác dụng của enzyme này tinh bột bị phân giải thành maltose và các dạng dextrin.

β- Amylase: có ở thực vật, trong các hạt ngũ cốc lúc nảy mầm, dưới tác dụng của enzyme này tinh bột bị phân giải thành maltose.

γ- Amylase: có chủ yếu ở gan và ở vi sinh vật, có tác dụng cắt liên kết glucoside 1-4, cắt từng phân tử một, sản phẩm của nó là glucose.

Glucozydase 1-6: có hoạt lực yếu ở nước bọt, mạnh ở tuyến tuỵ, nó cắt liên kết glucoside 1-6.

Ở miệng: Tinh bột bị tác dụng cơ học do bị nhai, nhào trộn, trương nở. Quá trình này làm tăng diện tích tiếp xúc giữa enzyme với cơ chất, ngoài ra tinh bột bị α- Amylase do tuyến nước bọt tiết ra tác dụng, enzyme này cần có ion Ca++ tham gia và được hoạt hoá bởi ion Cl-, nó hoạt động trong môi trường gần trung tính pH = 6,7 - 7,2. Dưới tác dụng của α- Amylase tinh bột bị thuỷ phân thành đường maltose, và các dạng dextrin. Trong nước bọt còn có enzyme maltase thuỷ phân maltose thành glucose.

Ở dạ dày: không có enzyme tiêu hoá tinh bột, sự tiêu hoá tinh bột bị đình trệ vì môi trường acid ở đây do dịch vị làm tê liệt Amylase của nước bọt đưa xuống. Song với loài dạdày lớn và ăn nhiều một lúc như lợn thì phần tinh bột ở giữa khối thức ăn vẫn bị tiêu hoá do HCl chưa thấm vào.

Ở ruột non: đây là nơi tiêu hoá kết thúc tinh bột. Ngoài Amylase, glucozydase 1-6, tuyến tuỵ còn tiết ra enzyme maltase, saccarase, lactase. Enzyme maltase thuỷ phân đường maltose, saccarase thuỷ phân đường saccarose, lactase thuỷ phân đường lactose. Dưới tác dụng của các enzyme kể trên tinh bột và các loại đa đường khác biến thành các đường đơn glucose, fructose, galactose.

Maltose +H2O ------------------> 2D-glucose Maltase Lactose +H2O -------------------> D-galactose +D-glucose Lactase Sacarose +H2O --------------------> D-fructose +D-glucose Sacarase



Trehalose +H2O --------------------> 2D-glucose Trehalase

Từ các đường đơn đó, chúng được hấp thu qua tế bào vách ruột vào máu. Quá trình hấp thu đường diễn ra theo 2 cách:

Hấp thu thụ động (theo sự chênh lệch về nồng độ), quá trình này không tốn năng lượng.

Hấp thu chủ động (ngược gradien nồng độ) quá trình này tiêu tốn năng lượng của ATP. Tuy nhiên cả 2 cách đều cần có vật mang, vật mang thường là protein.

Quá trình hấp thu chủ động thường gắn liền với hệ thống bơm Na và K.

Khi các đường đơn vào tế bào vách ruột, tại đây chúng được đồng nhất hoá thành glucose, nhờ enzyme isomerase. Glucose qua tế bào vách ruột vào mao mạch và hệ tĩnh mạch, qua tĩnh mạch cửa về gan, ở đó tuỳ theo yêu cầu mà glucose sẽ biến thành fructose, galactose... Ở gan glucose từ thức ăn vào được sử lý theo 2 hướng:

Phần lớn theo hướng chuyển hoá thành lipid, một phần chuyển hoá thành glycogen đểdự trữ

Sử dụng vào các nhu cầu như năng lượng, tạo thành các hợp chất cấu tạo... Quá trình sửdụng, glucose có thể vào máu để chở tới các mô bào.

3.2. Sinh tổng hợp glycogen

Cấu tạo của glycogen: Glycogen là chất dự trữ glucid của động vật, có thể coi glycogen như là "tinh bột" của động vật, vì nó cũng gồm 2 liên kết α -D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh bột ở chỗ là sự rẽ nhánh rậm rạp hơn, cứ cách 8-10 phân tửglucase có một liên kết nhánh α-D 1-6. Glycogen có nhiều ở gan ( chiếm 5-7% khối lượng của gan) ở cơ nó chiếm 2% khối lượng của cơ, do khối lượng cơ là lớn nên glycogen có ở cơlà chính. Hàm lượng này có thể biến động phụ thuộc vào dinh dưỡng và trạng thái sinh lý (đói, no, lao động, ngủ, thức...)

Ở gan, cơ và nhiều mô bào khác có hệ thống enzyme chuyển hoá glucose thành glycogen. Trong tế bào hệ thống enzyme đó phân bố ở tế bào chất và quá trình sinh tổng hợp glycogen diễn ra ở tế bào chất. Dưới tác dụng của các enzyme hexokinase, mutase và transglucozydase một loạt các phản ứng diễn ra như sau:

1/ Hoạt hoá glucose do tác dụng của gluco-kinase

2/ Đồng phân hoá dưới tác dụng của enzyme mutase



OCH 2-O-P

OCH 2-OH

O-P

G luco 6-P

M utase

Gluco-1-P

3/ Hoạt hoá Glucose với UTP

O

HOH

HHHH

H2COPO

O-

O

P

O-

O

P-O

O-

O

PO

O-

O

P-O

O-

O

P-O

O-

OOCH 2-OH

O-P

O

NH

ON

UTPGluco-1-P

+

4/ Tạo Amylose: Dưới tác dụng của enzyme glycogensyntetase (hay trans glucozydase 1-4) n phân tử UDP- glucose liên kết với nhau theo liên kết 1-4 glucoside tạo thành chuỗi amylose.

5/ Tạo Glycogen: Dưới tác dụng của enzyme transglucozydase 1-6, chuỗi Amylose cứcách 8-10 phân tử glucose sẽ có liên kết 1-4 chuyển thành liên kết 1-6. Kết quả tạo thành phân tử glycogen có nhánh rẽ rậm rạp, các phân tử này tích tụ lại trong tế bào thành hạt.



Enzyme trans glucozydase 1- 4 tồn tại ở 2 trạng thái:

Dạng I: Independant (độc lập, tự chủ) ở trạng thái này có hoạt lực.

Dạng D: Dependant (phụ thuộc) không có hoạt lực. Hai dạng này có thể chuyển hoá cho nhau, từ dạng I nếu được phosphoryl hoá thì sẽ chuyển thành dạng D và ngược lại. Điều khiến quá trình này là hormone Insuline của tuyến tuỵ. Hormone này có vai trò chuyển hoá enzyme này từ dạng D sang dạng I làm tăng cường quá trình tổng hợp glycogen từ đó làm giảm hàm lượng đường trong máu.

+ ATP

Dạng I < ===== > Dạng D

- ATP

3.3. Sự phân giải glycogen

Khi nhu cầu về năng lượng của cơ thể tăng lên, lượng glucose sẽ bị huy động và hàm lượng của nó ở trong máu bị hạ xuống, lúc đó gan sẽ giải phóng glucose từ glycogen để đưa vào máu, giữ cho hàm lượng glucose trong máu được ổn định. Quá trình phân giải glycogen ởcơ cũng xảy ra nhưng nó chỉ chuyển hoá đến dạng glucose 6-P rồi đưa vào quá trình sử dụng chứ không thành glucose tự do để đưa vào máu.

Glycogen ở gan được phân giải theo 2 cách:

Cách 1: Phân giải theo con đường thuỷ phân bởi tác dụng của enzyme γ- Amylase với sự tham gia của nước, cách phân giải này không đáng kể.

Cách 2: Phân giải theo con đường phosphoryl hoá (phosphorolysis: phospho phân), cách phân giải này là chủ yếu.

Quá trình này được thực hiện bởi một hệ thống enzyme mà chủ yếu là enzyme phosphorylase "a". Dưới tác dụng của enzyme này quá trình phân giải diễn ra như sau:

phosphorylase "a" mutase phosphatease Gly + H3PO4----------------------> Gl 1-P ----------> Gl 6-P ----------------- > Gl + H3PO4



Glucose được tách khỏi các nhánh của glycogen qua hoạt động của 2 enzyme: glycogen phosphorylase và phosphoglucomutase. Glycogen phosphorylase xúc tác phản ứng cắt liên kết ion α -1-4 glucoside. 2 gốc glucose trong glycogen dưới sự tấn công bởi phosphate vô cơ, tách gốc glucose cuối cùng tạo thành α -D- glucose 1- phosphate (hình 6.2). Phản ứng phospho phân này xảy ra sự huy động bên trong tế bào của glycogen dự trữ, khác với sự thuỷphân liên kết glucoside bởi amylase khi thoái hóa glycogen. Trong phospho phân, một sốnăng lượng của liên kết glucoside được giữ trong sự hình thành este phosphate, glucose 1- phosphate.

Pyridoxal phosphate là yếu tố cần thiết trong phản ứng glycogen phosphorylase; nhóm phosphate của nó hoạt động như là sự xúc tác acid chung, làm tăng sự tấn công bởi Pi trên liên kết glucoside. Hoàn toàn khác vai trò của yếu tố pyridoxal phosphate trong trao đổi acid amin.

Glycogen phosphorylase tấn công lặp lại trên các đầu không khử của các nhánh glycogen đến điểm còn 4 gốc glucose của điểm nhánh (α1-6). Ở đây sẽ ngừng hoạt động của

glycogen phosphorylase. Sự thoái hóa tiếp tục có thể xảy ra.

Glycogen bị bẻ gãy gần các điểm nhánh (α -1- 6) sau khi loại các gốc glucose đầu không khử bởi glycogen phosphorylase (hình 6.2). Các gốc glucose gần nhánh được loại bỏtiếp bước hai nhờ hoạt động của enzyme “loại nhánh”. Đầu tiên hoạt tính transferase của enzyme thay đổi vị trí cản trở của 3 gốc glucose kể từ nhánh gần đầu không khử, chúng được tấn công lại trong liên kết (α1- 4). Sau đó gốc glucose đơn lẻ được loại ra bởi hoạt động enzyme (α1-6) glucosidase. Chỉ sau khi hoạt động của enzyme “loại nhánh” oligo (α 1-6) đến

Hình 6.2: Loại gốc glucose đầu cuối không khử của chuỗi glycogen bởi hoạt động của glycogen phosphorylase. Quá trình này được lập đi lặp lại, kết quả là loại gốc glucose cho đến khi còn 4 gốc glucose tính từ điểm nhánh ( hình 6.3).



(α 1-4) glucotransferase, nó xúc tác cho 2 phản ứng để loại nhánh glucose-1-phosphate, sản phẩm cuối của phản ứng glycogen phosphorylase sẽ được biến đổi thành glucose-6- phosphate bởi phosphoglucomutase, đây là phản ứng thuận nghịch.

Glucose-1-phosphate glucose –6-phosphate

Phosphoglucomutase đòi hỏi yếu tố glucose –1,6-diphosphate, vai trò của nó tương tựnhư 2,3-diphosphoglycerate trong phản ứng xúc tác bởi phosphoglycerate mutase (hình 6.2). Phosphoglucomutase giống phosphoglycerate mutase, chu trình giữa dạng phosphoryl hóa và không phosphoryl hóa. Tuy nhiên trong phopshoglucomutase nhóm hydroxyl của gốc Ser trong trung tâm hoạt động thực hiện phosphoryl hóa trong vùng xúc tác.

Enzyme phosphorylase tồn tại ở 2 trạng thái:

Trạng thái hoạt hoá (phosphorylase "a") ở trạng thái này nó tồn tại ở cấu trúc bậc 4 gồm 4 tiểu phần (tetrame).

Trạng thái ức chế (phosphorylase "b") ở trạng thái này nó tồn tại ở cấu trúc 2 tiểu phần (dime). Hai trạng thái này có thể chuyển hoá cho nhau, từ dạng "b" nếu được phosphoryl hoá thì sẽ chuyển thành dạng "a" và ngược lại.


Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 150Hình 6.3: Glycogen bị bẻ gãy gần các điểm nhánh α -1- 6



Protein kinase lại chịu sự tác dụng của 3/,5/- AMP vòng dưới sự điều tiết của Adrenalin và glucagon.

3.4. Sự tiêu hoá và hấp thu chất xơChất xơ bao gồm nhiều nhóm, trong đó chủ yếu là cellulose và hemicellulose, ngoài ra

còn có lignin (vỏ bọc tế bào). Tỷ lệ các loại này khác nhau ở các loại rau cỏ và tuổi của chúng. Loại cỏ non hemi cellulose chiếm 30-40%, cellulose chiếm 60-70%. Khi cỏ già cellulose chiếm 90% còn hemi cellulose chỉ chiếm 5-10%.

Về cấu tạo: cellulose có cấu tạo từ β-glucose, các phân tử β- glucose liên kết với nhau bằng liên kết β- glucosid 1-4. Các phân tử β-glucose trong cellulose ở dạng ghế làm cho cellulose có cấu trúc hình sợi.

OCH2

OH

O

OCH2 HO

OCH2

O

n

Hemicellulose là chất được cấu tạo từ các đường đơn không phải glucose như: pentose, hexose loại manose, galactose, fructose,...

CHO

C

C

C

C

CH 2-OH

HOH

OH

H

OHH

OH

H

CHO

C

C

C

C

CH 2-OH

OHH

OH

OH

OHH

OH

H

CH 2-OH

C

C

C

C

CH 2-OH

O

OH

H

OHH

OH

H

Galactose FructoseManose



Lignin: là hợp chất phức tạp, thành phần chủ yếu là các acid xuất phát từ đường, nó không tiêu hoá được.

Chất xơ, bản thân động vật không thể tiêu hoá được vì chúng không tiết ra enzyme tiêu hoá chất xơ (enzyme cellulase). Nhưng trong quá trình tiến hoá của sinh vật, phần lớn động vật ăn cỏ như trâu, bò, dê, cừu, thỏ, ngỗng... đã hình thành một khả năng thích nghi, đó là sựcộng sinh giữa chúng với vi sinh vật (VSV), chỉ có VSV mới có enzyme tiêu hoá chất xơ(enzyme cellulase). Sự cộng sinh này được tiến hành ở ống tiêu hoá mà điển hình là dạ cỏ loài nhai lại, manh tràng ở ngựa, thỏ, ngỗng....

Sự tiêu hoá chất xơ ở dạ cỏTrong quá trình tiến hoá, dạ cỏ không chỉ là nơi chứa thức ăn, mà dạ cỏ còn tham gia rất

tích cực vào quá trình tiêu hoá, có thể coi dạ cỏ là một túi lên men chất xơ. Quá trình đó theo sơ đồ sau:

Cellulase (VSV) Isomelase(VSV) lên men (VSV)

Cellulose -------------> β-glucose <=========> α-glucose ------------> các acid béo bay hơi

Các acid béo bay hơi là sản phẩm của quá trình lên men, đây là nguồn năng lượng chính cho loài nhai lại (chiếm 60-80% nhu cầu về năng lượng của loài nhai lại). Quá trình tiêu hoá này được thực hiện bởi hệ VSV trong dạ cỏ.

Hệ VSV trong dạ cỏ

Về số lượng là rất lớn: nhóm vi khuẩn (Bacteria) có tới 109 con/gam chất chứa dạ cỏ, nhóm nguyên sinh động vật (Protozoa) có tới 105 - 106 con/gam chất chứa dạ cỏ.

Về chủng loại chia làm 3 lớp lớn:

Vi khuẩn (Bacteria) bao gồm: Trực khuẩn (Bacteria bacillus); Cầu khuẩn (Coccus); Xoắn khuẩn( Spirochera). Vi khuẩn chiếm số lượng lớn nhất trong hệ VSV dạ cỏ, phần lớn chúng là các VSV kị khí, là nhóm đóng vai trò chính trong tiêu hoá ở dạ cỏ, chúng có tác dụng phân giải cellulose thành các acid béo bay hơi.

Nhóm nguyên sinh động vật (Protozoa): nhóm này cũng có hàng trăm chủng loại khác nhau, có tác dụng phân giải cellulose và đường bột thành các dạng đường dễ tiêu, tích luỹ

Hình 6.4. Cấu tạo của thảo phúc trùng (protozoa)



trong tế bào (hình 6.4). Nhược điểm của nhóm này là chúng không có khả năng sử dụng NH3

như vi khuẩn, nguồn nitơ đáp ứng nhu cầu của chúng chủ yếu là từ thức ăn và vi khuẩn nên chúng nuốt rất nhiều vi khuẩn, có nhiều quan điểm cho rằng nếu ức chế nhóm này sẽ làm tăng quá trình lên men xellolose do vi khuẩn không bị diệt.

Nấm (Fungi): bao gồm nấm men và nấm mốc. Người ta cho rằng nấm có vai trò xâm nhập và tiêu hoá thành phần cấu trúc tế bào thực vật, làm giảm độ bền chặt của cấu trúc này góp phần làm tăng sự phá vỡ của các mảnh thức ăn khi được nhai lại, từ đó tạo điều kiện cho vi khuẩn bám vào để phân giải cellulose. Một số nấm men có thể lên men đường glucose, chuyển hoá chúng thành CO2 và H2O và tổng hợp thành nhiều loại vitamin nhóm B.

Dưới tác dụng của hệ VSV dạ cỏ, chất xơ bị phân giải thành α- glucose. α- glucose đi theo 2 hướng:

Tích luỹ thành glycogen trong protozoa, đây là con đường phụ.

Lên men là con đường chủ yếu. Lên men là quá trình phân giải glucose một cách phức tạp diễn ra trong điều kiện yếm khí. Quá trình này diễn ra trong tế bào VSV. Trong quá trình này phân tử đường glucose biến thành các acid béo bay hơi. Đối với bản thân tế bào VSV đây là cách khai thác năng lượng để sống, quá trình lên men là quá trình tạo ATP cho VSV, còn các acid béo bay hơi là sản phẩm thải loại của VSV sau khi đã dùng glucose. Những acid béo này là những chất dinh dưỡng hết sức quyết định đối với động vật nhai lại sau khi được hấp thu vào máu.

Tỷ lệ về hàm lượng các acid béo bay hơi phụ thuộc vào hoạt động của VSV, mà sự hoạt động này lại phụ thuộc vào nguồn thức ăn và pH của dạ cỏ. Trong điều kiện tối ưu: pH dạ cỏbằng 6-7 thì những chủng VSV lên men acid axetic là chủ yếu, hàm lượng acid này là 60%, rồi đến acid propionic: 20%, acid butylic: 10%, acid valeic: 5% và acid lactic là rất ít.

Yếu tố làm cho pH của dạ cỏ ổn định là nhờ các muối bicacbonat của nước bọt của loài nhai lại (nưóc bọt loài nhai lại có hàm lượng bicacbonat rất cao, lượng nước bọt tiết ra lại nhiều (100lit/ngày đêm). Các bicabonat vào dạ cỏ làm trung hoà acid béo tạo ra trong quá trình lên men:

NaHCO3 + H+ --------- > Na+ + H2CO3 ---- > H2O + CO2

Như vậy lượng CO2 sinh ra khá nhiều, vì lý do nào đó mà không ợ được CO2 ra kịp thì sẽ sinh ra chứng chướng hơi dạ cỏ.

Dạ cỏ hay những xoang tiêu hoá như vậy là nơi lý tưởng cho hệ VSV hoạt động vì ở đó có các điều kiện tối ưu đó là:

Nhiệt độ: 38-39oC

Yếm khí.

Độ ẩm: 45-65% (độ ẩm này do nước uống và nước bọt ).

pH thích hợp: 6,5-7,5. pH này có thể thay đổi do nhiều yếu tố nhất là do thức ăn: nếu ăn thức ăn dễ tiêu thì quá trình lên men mạnh, lượng acid béo tăng lên pH sẽ giảm, ăn thức ăn ủchua pH cũng giảm, thức ăn nhiều protein pH sẽ tăng... Khi pH thay đổi do thức ăn thì tỷ lệcác acid béo bay hơi sẽ thay đổi và kéo theo sự thay đổi pH càng mạnh. Nếu acid lactic tăng lên sẽ sinh ra ỉa chảy, acid butyric tăng sẽ sinh ra thể ceton huyết...



Các acid béo được hình thành ở dạ cỏ, chúng thấm qua vách dạ cỏ vào máu và được sửdụng trực tiếp vào quá trình dinh dưỡng của loài nhai lại như cung cấp năng lượng, tổng hợp các acid amin, tổng hợp lipid sữa và một phần trở thành glucose ở gan.

4. Sự chuyển hoá trung gian của glucose

4.1. Khái quát về sự chuyển hoá trung gian của glucose

Glucose được máu chở tới các mô bào và được đưa vào tế bào nhờ hệ thống vận chuyển tích cực. Ở tế bào chất glucose được phân giải để dùng vào các nhu cầu của tế bào mà trước hết là nhu cầu về năng lượng. Trong cơ thể nơi sử dụng glucose nhiều nhất là cơ bắp.

Xét về mặt chuyển hoá glucose ở cơ thể sinh vật có hai kiểu: Phân giải yếm khí và phân giải hiếu khí. Hai cách phân giải này đặc biệt chặt chẽ ở VSV. VSV phân giải yếm khí khi có O2 thì không sống được, nếu là hiếu khí thì thiếu O2 cũng không sống được. Giữa hai giới đó có một giới trung gian dùng được cả hai cách phân giải trên đó là mô bào động vật.

Ở VSV sự phân giải yếm khí glucose gọi là sự lên men, còn ở mô bào động vật gọi là sựđường phân. Hai quá trình đó giống nhau ở chỗ là đều phân giải glucose trong điều kiện yếm khí và đều khai thác năng lượng tạo ATP cho tế bào, nó khác nhau ở chỗ là sự lên men diễn ra trong tế bào VSV, sản phẩm cuối cùng là những sản phẩm lên men như rượu ethylic (lên men rượu), acid axetic (lên men dấm), acid lactic (lên men sữa chua)... còn quá trình đường phân chỉ cho ra một sản phẩm duy nhất là acid lactic:

C6H12O6 --------> 2 C3H6O3 + Q

4.2. Cách phân giải yếm khí glucose ở mô bào động vật - Quá trình đường phân (glycolysis)

Trong quá trình đường phân (glycolysis - tiếng Hylạp glykys nghĩa là “ngọt” và lysis nghĩa là phân tách) phân tử glucose được phân giải trong các phản ứng xúc tác bởi enzyme thành 2 phân tử pyruvate rồi chuyển thành 2 phân tử acid lactic kèm theo năng lượng được giải phóng ở dạng ATP. Cho đến nay qúa trình đường phân đã được nghiên cứu kỹ lưỡng.

Sự phát hiện đầu tiên của Eduard Buchner (năm 1897) về sự lên men nhờ dịch chiết của tế bào nấm men, các nghiên cứu chi tiết bởi Fridz Lipmann và Herman Kalekar (năm 1941) về vai trò trao đổi chất của các hợp chất cao năng như ATP trong quá trình trao đổi. Các phản ứng của quá trình lên men và đường phân trong dịch chiết của nấm men và cơ là trung tâm nghiên cứu hóa sinh và các enzyme tham gia xúc tác các quá trình này cũng đã nghiên cứu kỹ lưỡng.

Trong cơ thể động vật có điều kiện yếm khí để xảy ra quá trình đường phân, đó là những mô bào mạch máu bị chèn ép, máu không lưu thông tới, nhất là những lúc lao động, điều kiện yếm khí càng tăng và quá trình đường phân diễn ra càng mạnh.

4.2.1. Quá trình đường phân gồm 2 pha.

Bẻ gãy glucose 6 carbon thành 2 phân tử pyruvate 3 carbon xảy ra trong 10 bước, 5 bước đầu được gọi là pha chuẩn bị (hình 6.5a). Trong các phản ứng này, glucose đầu tiên bịphosphoryl hoá ở nhóm Hydroxyl C-6 (bước�). D-glucose-6-phosphate sau đó tạo thành D-fructose-6-phosphate (bước �), tiếp tục bị phosphoryl hóa, lần này là ở C-1, tạo thành



fructose-1,6-diphosphate (bước�). Đối với cả 2 lần phosphoryl hóa, ATP là chất cho phosphate.

Fructose-1,6-diphosphate tiếp tục tạo thành 2 phân tử 3 carbon, dihydroxyacetone phosphate và glyceraldehyde-3-phosphate (bước�). Dihydroxylacetone phosphate được đồng phân hóa thành phân tử glyceraldehyde – 3- phosphate thứ 2 (bước�), đây là bước cuối cùng trong pha đầu tiên của quá trình đường phân. Như vậy pha này đã sử dụng 2 phân tử ATP đểhoạt hóa phân tử glucose và cắt thành 2 phân tử 3 carbon.

Hình 6.5. Hai pha của quy trình đường phân..



Năng lượng trả lại trong pha hoàn trả của quá trình đường phân (hình 6.5): Mỗi phân tửglyceraldehyde- 3- phosphate bị oxy hóa và bị phosphoryl hóa bởi phosphate vô cơ (không bởi ATP) tạo thành 1,3-diphosphoglycerate (bước�). Năng lượng được giải phóng cũng như2 phân tử 1,3- diphosphoglycerate hình thành 2 phân tử pyruvate (bước và bước đến ). Năng lượng này được thực hiện bởi cặp phosphoryl hóa của 4 phân tử ADP thành ATP, trừ đi 2 phân tử ATP được sử dụng trong pha chuẩn bị. Năng lượng của pha hoàn trả tạo thành 2 phân tử NADH2 trên một phân tử glucose.

Trong các phản ứng liên tục của quá trình đường phân, ba loại biến đổi hóa học đáng lưu ý đặc biệt: (1) sự thoái hóa của bộ khung carbon của glucose thành pyruvate, (2) sựphosphoryl hóa của ADP thành ATP bởi hợp chất phosphate năng lượng cao tạo trong quá trình đường phân, và (3) sự chuyển các nguyên tử hydro hoặc các điện tử đến NAD+ tạo thành NADH2. Sự phân giải sản phẩm pyruvate phụ thuộc vào loại tế bào và các trường hợp trao đổi chất.

Phân giải pyruvate: Có 3 hướng trao đổi của pyruvate được tạo thành bởi quá trình đường phân. Trong các mô hoặc cơ thể hiếu khí thì quá trình đường phân tiếp tục chỉ ở bước đầu trong sự thoái hóa của glucose (hình 6.6). Pyruvate được oxy hóa, mất một nhóm CO2, tạo thành nhóm acetyl của acetyl –CoA. Sau đó oxy hóa phức chất đến CO2 và H2O qua một chuỗi phản ứng của chu trình Krebs (Chu trình acid xitric) xảy ra trong ty thể. Năng lượng từcác phản ứng chuyển điện tử dẫn đến tổng hợp ATP trong ty thể.

Hình 6.6: Ba khảnăng phân giải trao đổi chất của pyruvate được tạo thành trong pha hoàn trả của quá trình đường phân. Pyruvate cũng là chất tiền thân trong nhiều phản ứng yếm khí.

Con đường thứ hai đối với sự trao đổi pyruvate là sự khử nó thành lactate. Khi mô cơ, xương co cơmạnh phải làm việc trong điều kiện yếm khí, pyruvate không thể bị oxy hóa vì thiếu oxy. Dưới điều kiện đó, pyruvate bị khửthành lactate. Chắc chắn các mô và các loại tế bào (võng mạc, não, hồng cầu) có sự biến đổi glucose thành lactate thậm chí dưới



điều kiện hiếu khí. Lactate cũng là sản phẩm của quá trình đường phân dưới điều kiện yếm khí trong vi sinh vật khi xảy ra sự lên men acid lactic (hình 6.6).

Con đường thứ 3 đối với sự trao đổi của pyruvate dẫn đến tạo ethanol. Trong một sốmô thực vật và trong động vật không xương sống, sinh vật đơn bào và vi sinh vật như nấm men bia, pyruvate được biến đổi yếm khí tạo thành ethanol và CO2, quá trình này được gọi là sự lên men rượu (alcohol) hay ethanol (hình 6.6)

4.2.2. Pha chuẩn bị của quá trình đường phân cần ATP.

Pha này xảy ra 5 phản ứng:

1. Sự phosphoryl hóa của glucose.

Trong bước đầu tiên của quá trình đường phân glucose được phosphoryl hóa ở C-6 thành glucose-6-phosphate. ATP là chất cho phosphate (Hình 6.7).

Phản ứng này xảy ra trong tế bào và được xúc tác bởi hexokinase. Tên chung kinase được sử dụng cho các enzyme xúc tác chuyển nhóm phosphate cuối cùng từ ATP đến một sốchất nhận hexose, trong trường hợp của hexokinase các kinase nằm trong lớp transferase.

Hexokinase xúc tác sự phosphoryl hóa không chỉ của D-glucose mà còn của các hexokinase khác, như D-fructose và D-mannose. Hexokinase. Cũng giống như nhiều kinase khác nó cần Mg2+ cho sự hoạt động, vì cơ chất thực sự của enzyme không phải là ATP 4- mà là phức hợp MgATP2- (xem hình 6.8).

Hình 6.7. Phosphoryl hoá glucose

Hình 6.8: Sự tạo thành phức hợp Mg2+Hexokinase có mặt trong các tế bào của tất cả các loài. Tế bào gan cũng có dạng hexokinase gọi là hexokinaseD hoặc glucokinase. Các hexokinase khác nhau trong động học và các đặc tính điều hoà.



2. Sự biến đổi của glucose - 6- phosphate thành fructose-6-phosphate.

Phosphohexose isomerase (phosphoglucose isomerase) xúc tác sự đồng phân hóa của aldolase, glucose - 6 - phosphate thành fructose – 6- phosphate(hình 6.9).

Hình 6. 9. Đồng phân hoá glucose 6 - phosphate

Đây là phản ứng thuận nghịch nên sự thay đổi năng lượng tự do nhỏ. Phosphohexose isomerase cũng cần Mg2+ và đặc biệt cho glucose – 6-phosphate.

3. Sự phosphoryl hoá fructose 6-phosphate thành fructose 1,6-diphosphate

Hình 6.10. phosphoryl hoá fructose 6- phosphate

Đây là phản ứng thứ 2 quan trọng của quá trình đường phân, phosphofructokinase-1 xúc tác chuyển nhóm phosphate từ ATP đến fructose 6- phosphate thành fructose-1,6-diphosphate (hình 6.10).

Phản ứng này là không thuận nghịch dưới các điều kiện tế bào. Enyme xúc tác được gọi là phosphofructokinase –1 (PRK-1) phân biệt nó với enzyme thứ 2 (PFK-2) xúc tác cho sự tạo thành fructose –2,6-diphosphate từ fructose –6-phosphate.



Trong một số vi khuẩn và vi sinh vật đơn bào và trong cả thực vật, có phosphofructokinase sử dụng pyrophosphate (PPi) mà không sử dụng ATP như là chất cho nhóm phosphate trong sự tổng hợp của fructose –1,6 – diphosphate.

Fructose-6-phosphate + PPi →+2Mg

Fructose-1,6-diphosphate + Pi ( '0GΔ = -

14KJ/mol)

Phosphofructokinase –1 giống hexokinase là enzyme điều hoà, nó là điểm chính của sựđiều hoà trong quá trình đường phân. Hoạt tính của PFK-1 tăng khi sự cung cấp ATP của tếbào suy giảm hoặc khi có sự vượt trội của các sản phẩm ATP bị bẻ gãy như ADP và AMP. Enzyme ức chế mỗi khi tế bào có nhiều ATP và khi nó được cung cấp tốt bởi các nhiên liệu khác như acid béo. Fructose –2,6-diphosphate, tương tự cấu trúc đối với sản phẩm của phản ứng này, nhưng không phải là chất trung gian trong quá trình đường phân, mà là chất kích thích có hiệu lực của cả hai enzyme phụ thuộc ATP và phụ thuộc PPi.

4. Cắt fructose 1,6- diphosphate

Enzyme fructose-1,6-diphosphate aldolase thường được gọi đơn giản là aldolase, xúc tác trở lại sự ngưng tụ aldol. Fructose-1,6- diphosphate được cắt thành 2 triose phosphate khác nhau là glyceraldehyde –3- phosphate và dihydroxyacetone phosphate (hình 6.11)

Hình 6.11. Cắt Fructose 1,6- diphosphate

Aldolase của mô động vật có xương sống không đòi hỏi cation hóa trị hai, nhưng trong nhiều vi sinh vật aldolase là enzyme có Zn2+. Mặc dầu phản ứng aldose có sự thay đổi năng lượng tự do chuẩn lớn trong hướng cắt, trong các tế bào nó có thể tiến hành nhanh chóng theo các hướng khác nhau. Trong suốt quá trình đường phân các sản phẩm phản ứng (2 triose phosphate) được di chuyển nhanh bởi bước 2 tiếp theo, phản ứng hướng theo chiều cắt.

5. Sự chuyển hóa lẫn nhau của các triose phosphate.

Chỉ một trong 2 triose phosphate được tạo thành là aldose glyceral dehyde–3-phosphate có thể được biến đổi với các bước phản ứng tiếp của quá trình đường phân. Tuy nhiên, dihydroxy acetone phosphate lại nhanh chóng biến đổi thành glyceraldehyde-3-phosphate bởi enzyme thứ 5 của quá trình đường phân, triose phosphate isomerase (hình 6.12). Phản ứng này kết thúc pha chuẩn bị của quá trình đường phân, trong đó phân tử hexose bị phosphoryl hóa ở vị trí C-1 và C-6 và sau đó tạo thành 2 phân tử glyceral dehyde-3-phosphate. Các hexose khác như D- fructose, D-manose và D-galactose cũng biến đổi thành glyceral dehyde –3- phosphate.



Hình 6.12. Sự chuyển hóa lẫn nhau của các triose phosphate

4.2.3. Pha hoàn trả của quá trình đường phân tạo ATP.

Pha hoàn trả của quá trình đường phân bao gồm sự biến đổi năng lượng các bước phosphoryl hóa trong đó một số năng lượng tự do của phân tử glucose bị biến đổi tạo thành ATP. Cần nhớ rằng một phân tử glucose tạo thành 2 phân tử glyceral dehyde-3 phosphate. Cả2 phân tử này sau đó đi vào pha thứ 2 của quá trình đường phân. Sự biến đổi 2 phân tửglyceral dehyde -3 phosphate thành 2 phân tử pyruvate kèm theo sự tạo thành 4 phân tử ATP từ ADP. Vì có 2 phân tử ATP được sử dụng trong pha chuẩn bị của quá trình đường phân đểphosphoryl hóa 2 đầu cuối của phân tử hexose.

6. Sự oxy hóa glyceral dehyde-3- phosphate thành 1,3 –disphospho glycerate.

Giai đoạn đầu trong pha hoàn trả của quá trình đường phân là sự oxy hoá, sự biến đổi

Hình 6.13. Sự oxy hoá glyceral dehyde-3- phosphate

glyceral dehyde-3- phosphate thành 1,3 – diphosphate glycerate được xúc tác bởi glyceral dehyde-3 – phosphate dehydrogenase (hình 6.13). Đây là phản ứng đầu tiên của các phản ứng biến đổi năng lượng của quá trình đường phân dẫn đến sự hình thành ATP. Nhóm aldehyde của glyceraldehyde 3- phosphate được dehydrogenase hóa, không tạo thành nhóm carboxyl tựdo mà tạo thành acid carboxylic anhydride với acid phosphoric. Loại này của anhydride được



gọi là acyl phosphate có năng lượng tự do chuẩn rất cao khi thuỷ phân ( '0GΔ = -49,3 KJ/ mol). Rất nhiều năng lượng tự do của sự oxy hóa nhóm aldehyde của glyceraldehyde-3-phosphate được biến đổi bởi sự tạo thành của nhóm acyl phosphate ở C-1 của 1,3-diphosphate glyxerate.

Hình 6.14: (a) Mô tả chi tiết phản ứng glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase. Trong bước (1) tạo thành liên kết hóa trị thiohemiacetal giữa cơ chất và nhóm sulfhydryl của gốc cys trong trung tâm hoạt động của enzyme. Chất trung gian cơ chất này bị oxy hóa bởi NAD+ (bước (2) biến đổi nó thành chất trung gian liên kết hóa trị acyl-enzyme, thioester. (bước (3)) Liên kết giữa nhóm acyl và nhóm thiol của enzyme. Trong bước (4) liên kết thioester trải qua phản ứng phân ly acid phosphoric (tấn công bởi Pi), giải phóng enzyme tự do và tạo thành acyl phosphate (1,3-diphosphate glyceral) (b) Iodoacetate là chất ức chế có hiệu quả của glyceraldehyde -3- phosphate dehydrogenase vì nó tạo thành liên kết cộng hóa trị với nhóm -SH chủ yếu của trung tâm hoạt động enzyme, làm nó bất hoạt.



Chất nhận hydrogen trong phản ứng glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase là coenzyme NAD+, dạng oxy hóa của nicotinamide adenine dinucleotide. Sự khử NAD+ được tiến hành bởi enzyme chuyển ion hydrro (:H-) từ nhóm aldehyde của glyceral dehyde 3 phosphate đến chu trình nicotinamide của NAD+ tạo thành coenzyme dạng khử. Nguyên tửhydro khác của phân tử cơ chất xuất hiện trong dung dịch như H+(hình 6.14 a).

Sự oxy hóa glyceral dehyde-3-phosphate bao gồm sản phẩm trung gian trong đó cơ chất là liên kết cộng hóa trị với enzyme (hình 6.14a). Nhóm aldehyde của glyceral dehyde-3-phosphate phản ứng đầu tiên với nhóm –SH của Cys chủ yếu trong trung tâm hoạt động của enzyme. Phản ứng này tương ứng với sự tạo thành của hemiacetal nhưng trong trường hợp này sản phẩm là thiohemiacetal. Sự phát hiện ra glyceral dehyde-3-phosphate dehydrogenase bị ức chế bởi iodoacetate (hình 6.14 b) là rất quan trọng trong lịch sử nghiên cứu quá trình đường phân.

NADH2 tạo thành trong bước này của quá trình đường phân phải được oxy hóa lại thành NAD+. Các tế bào có số lượng giới hạn NAD+ và quá trình đường phân có thể thiếu đến một nửa NAD+ là do NADH2 không được oxy hóa trở lại. Các phản ứng trong đó NAD+ được phục hồi yếm khí sẽ được miêu tả chi tiết sau.

7. Chuyển phosphate từ 1,3 –diphosphoglycerate đến ADP.

Enzyme phosphoglycerat kinase chuyển gốc phosphate năng lượng cao từ nhóm carboxyl của 1,3 –diphosphoglycerate đến ADP, tạo thành ATP và phosphoglycerate (hình 6.15).

Hình 6.15. Tạo ATP từ 1,3 –diphosphoglycerate

8. Sự biến đổi của 3-phosphoglycerate thành 2-phosphoglycerate.

Enzyme phosphoglycerate mutase xúc tác chuyển thuận nghịch nhóm phosphate giữa C-2 và C-3 của glycerate –Mg2+(hình 6.16).



9. Sự loại nước của 2-phosphoglycerate thành phoshoenolpyruvate.

Phản ứng đường phân thứ hai tạo ra hợp chất với khả năng chuyển nhóm phosphate ởmức cao được xúc tác bởi enolase. Enzyme này làm tăng khả năng loại phân tử nước của phosphoglycerate tạo thành phosphoenolpyruvate (hình 6.17)

10. Chuyển gốc phosphate từ phosphoenolpyruvate đến ADP.

Bước cuối cùng trong quá trình đường phân là chuyển gốc phosphate từphosphoenolpyruvate đến ADP, xúc tác bởi pyruvate kinase (hình 6.18).

Hình 6.18. Tạo ATP từ phosphoenolpyruvate

Trong phản ứng này, sự phosphoryl hóa cơ chất - sản phẩm pyruvate xuất hiện đầu tiên ở dạng enol. Dạng enol nhanh chóng hỗ biến và không tồn tại mà tạo thành dạng ceto của

Hình 6.17. Tạo phosphoenolpyruvate

Hình 6.16. Tạo 2-phosphoglycerate



pyruvate, dạng này chiếm ưu thế ở pH7. Phản ứng pyruvate kinase về cơ bản không thuận nghịch dưới điều kiện nội bào. Pyruvate kinase đòi hỏi có K+ và Mg2+ hoặc Mn2+. Nó giữ vịtrí quan trọng của sự điều hoà (hình 6.19).

Hình 6.19. Sự hỗ biến của pyruvate

4.2.4. Sự cân bằng tổng thể và làm tăng ATP

Chúng ta có thể xây dựng sự cân bằng đối với quá trình đường phân để tính toán cho (1) số phận khung carbon của glucose, (2) sự đi vào của Pi và NAD+ và sự đi ra của ATP và (3) con đường của các điện tử trong các phản ứng oxy hóa khử phía tay trái của sự cân bằng giới thiệu tất cả sự đi vào của ATP, NAD+, ADP và Pi (tham khảo hình 6.5) và phía tay phải giới thiệu tất cả sự đi ra (cần lưu ý rằng mỗi phân tử glucose tạo thành 2 phân tử glyceral dehyde-3-phosphate):

Quá trình đường phân được điều hoà chặt chẽ.

Khi nghiên cứu sự lên men của glucose bởi nấm men, Louis Pasteus đã phát hiện ra rằng cả tốc độ và tổng số glucose tiêu thụ tăng lên nhiều lần dưới điều kiện kị khí. Những nghiên cứu sau đó ở cơ cho thấy chính sự khác nhau lớn về tốc độ của quá trình đường phân dưới điều kiện kị khí và hiếu khí là cơ sở hóa sinh của “hiệu ứng Pasteus”.

Sự tạo thành ATP từ quá trình đường phân dưới điều kiện kị khí (2ATP với một phân tử glucose) là nhỏ hơn nhiều khi oxy hóa phân tử glucose đến CO2 dưới điều kiện hiếu khí (38 hoặc 39 ATP cho một phân tử glucose). Như vậy, khoảng 19 lần glucose nhiều hơn bị tiêu thụở điều kiện kỵ khí so với hiếu khí để tạo thành cùng lượng ATP.

Sự biến đổi liên tục của glucose qua con đường đường phân được điều hoà để thực hiện hằng số mức độ ATP (đáp ứng yêu cầu của các hợp chất trung gian của đường phân phục vụvai trò sinh tổng hợp). Sự yêu cầu điều chỉnh tốc độ quá trình đường phân được thực hiện bởi sự điều hoà của 2 enzyme đường phân: phosphofructokinase-1 và pyruvate kinase. Cả 2 enzyme được điều hoà allosteric giao động từng giây trong sự cân bằng của tế bào giữa sự tạo thành và sự tiêu thụ ATP.

Glucose + 2ATP + 2NAD + 4ADP+ 2Pi → 2pyruvate + 2ADP + 2H+ + 4ATP + 2H2O

Nếu cân bằng 2 phía, chúng ta nhận được cân bằng tổng thể đối với quá trình đường phân dưới các điều kiện hiếu khí.

Glucose + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi → 2 pyruvate + 2NADH2 + 2H+ + 2ATP + 2H2O



Hai phân tử NADH2 tạo thành bởi quá trình đường phân trong tế bào là điều kiện hiếu khí tái oxy hóa thành NAD+ bởi sự chuyển điện tử của chúng đến chuỗi hô hấp, mà trong các tế bào nhân chuẩn là ở ty thể. Ở đây các điện tử cuối cùng được chuyển đến O2.

2NADH2 + 2H+ +O2→ 2NAD+ + 2H2O

Điện tử chuyền từ NADH2 đến O2 trong ty thể cung cấp năng lượng cho tổng hợp ATP bởi sự phosphoryl hóa trongchuỗi hô hấp.

Tổng thể của quá trình một phân tử glucose tạo thành 2 phân tử pyruvate (con đường carbon). Hai phân tử ADP và 2Pi được biến đổi thành 2 phân tử ATP (con đường các nhóm phosphate) 4điện tử (2 ion hydride) được chuyển từ 2 phân tử glyceraldehydeyt-3- phosphate đến 2NAD+ (con đường điện tử).

4.2.5. Biến đổi pyruvate dưới điều kiện kị khí và hiếu khí.

Pyruvate là sản phẩm của quá trình đường phân, nó đóng vai trò quan trọng trong sự dịhóa saccharide. Dưới điều kiện hiếu khí, pyruvate bị oxy hóa thành acetate, nó đi vào chu trình acid citric và bị oxy hóa thành CO2 và nước. NADH2 được tạo thành bởi sự loại hydro của glyceral dehyde-3-phosphate, được tái oxy hóa thành NAD+ bởi chuyển điện tử của nó đến O2 trong quá trình hô hấp của ty thể.

Tuy nhiên, dưới các điều kiện yếm khí (ví dụ như cơ, xương hoạt động nhiều, hay các thực vật ngập dưới nước hoặc các vi khuẩn lên men lactic, NADH được tạo ra bởi quá trình đường phân không thể là tái oxy hóa bởi O2. Sự thiếu hụt tái tạo NAD+ có thể làm cho tế bào không có chất nhận điện tử oxy hóa glyceraldehyde-3-phosphate và các phản ứng khác.

Các tế bào sớm nhất trong sự phát triển của sự sống trong không khí hầu như không có oxy và có các chiến lược phát triển xảy ra ngoài quá trình đường phân dưới các điều kiện hiếu khí. Tốt nhất là duy trì được khả năng NAD+ tái tạo liên tục suốt quá trình kị khí bởi chuyển các điện tử từ NADH2 đến sản phẩm khử cuối cùng như lactate hoặc alcohol.

Pyruvate là chất nhận điện tử cuối cùng trong sự lên men acid lactic.

Khi các mô động vật không được cung cấp đầy đủ oxy để oxy hóa hiếu khí pyruvate và NADH2 được tạo thành trong quá trình đường phân, NAD+ sẽ được tái tạo lại từ NADH2

bởi sự khử của pyruvate thành lactate. Trong những mô khác nhau và các loại tế bào (võng mạc, não, hồng cầu) cũng tạo ra lactate từ glucose dưới các điều kiện hiếu khí; lactate là sản phẩm chính của sự trao đổi chất trong hồng cầu. Sự khử pyruvate được xúc tác bởi lactac dehydrogenase tạo thành L-izomer của acid lactic (latate ở pH7) (hình 6.20).



Nói chung sự cân bằng của phản ứng này thiên nhiều về sự tạo thành lactate bởi sự thay đổi năng lượng tự do chuẩn âm tính lớn.

Trong quá trình đường phân, sự dehydrogen hóa của 2 phân tử glyceraldehyde-3- phosphate từ một phân tử glucose tạo thành 2 phân tử NADH2. NADH2 được dùng để khử 2 phân tử pyruvate thành 2 phân tử lactate và 2 phân tử NAD+. NADH2+ không đưa cặp Proton vào chuỗi hô hấp.

Mặc dù có 2 bước oxy hóa khử biến đổi glucose thành lactate, không có sự thay đổi giá trị trong bước oxy hóa của carbon: trong glucose (C6H12O6) và acid lactic (C3H6O3), tỷ lệ H: C là như nhau. Tuy nhiên, một số năng lượng của phân tử glucose được tách ra bởi sự biến đổi của nó thành lactate, đủ cho sự tạo thành 2 phân tử ATP. Lactate được tạo thành bởi các cơ hoạt động của các động vật có xương sống có thể tái tạo lại, nó chuyển ra trong máu rồi đến gan, ở đây nó được biến đổi thành glucose. Bản chất của hiện tượng này như sau: ở những vận động viên chạy nước rút, oxy không cung cấp đủ cho tế bào để oxy hóa pyruvate để tạo thành ATP, mô cơ lúc đó phải sử dụng glycogen dự trữ như là nhiên liệu để tạo thành ATP bởi sự đường phân, với lactate như là sản phẩm cuối cùng. Vận động viên chạy nước rút, lactate ở trong máu có nồng độ rất cao, nó biến đổi chậm chạp trở lại glucose. Vào thời gian nghỉ, oxy lại được cung cấp đủ cho quá trình oxy hóa hoàn toàn tạo đủ ATP để tái tạo lại glucose và glycogen ở gan từ lactate để hoàn trả lại glycogen đã “mượn” trước đó. Chu trình biến đổi glucose thành lactate và từ lactate về lại glucose ở gan được gọi là chu trình Cori mang tên vợ chồng nhà bác học Carl và Gerty Cori đã nghiên cứu quá trình này vào những năm 1930 và 1940.

Nhiều vi sinh vật lên men glucose và các hexose khác tạo thành lactate. Ví dụlactobacilli và streptococci lên men lactose trong sữa thành acid lactic. Sự phân ly acid lactic thành lactate và H+ trong hỗn hợp lên men pH thấp đã loại casein và các protein sữa khác và

Hình 6.20. Sự khử pyruvat thành lactat



xảy ra sự kết tủa. Dưới các điều kiện thích hợp, nó đóng cục thành fomat hoặc sữa chua, phụthuộc vào vi sinh vật có liên quan

4.2.6. Quá trình đường phân có thể tóm tắt bằng 11 phản ứng sau:

1/ Hoạt hoá glucose 2/ Đồng phân hoá

3/ Hoạt hoá Fructose 6-P 4 và 5/ Tác dụng của Aldose và đồng phân hoá

6/ Dồn liên kết

7/ Phosphoryl hoá 8/ Đồng phân hoá



9/ Dồn liên kết (loại nước) 10/ Phosphoryl hoá

11/ Khử tạo lactat

4.2.7. ý nghĩa của quá trình đường phân:

Ý nghĩa về năng lượng: quá trình đường phân diễn ra trong mô bào động vật trong điều kiện mô bào thiếu oxy do máu cung cấp không đầy đủ. Trong quá trình này phân tửglucose bị phân giải thành 2 phân tử acid lactic và tế bào thu được 2ATP tương đương 20kcal. Khi oxy hoá hoàn toàn thì một phân tử glucose cho 686 kcal, như vậy hiệu suất của quá trình đường phân là rất thấp (≈ 3%). Do đó acid lactic hay nói chung là các sản phẩm của quá trình lên men là còn chứa rất nhiều năng lượng. Trong thực tế khi động vật hoạt động đòi hỏi rất nhiều năng lượng mà điều kiện yếm khí lại tăng lên, cho nên quá trình đường phân xảy ra rất mạnh và một số lượng rất lớn phân tử glucose bị vỡ thành acid lactic. Do đó những mô bào, bắp thịt hoạt động trong điều kiện yếm khí lâu, acid lactic sinh ra nhiều, bị ứ đọng gây rối loạn trao đổi chất cục bộ ở đó, làm thay đổi pH của mô bào ảnh hưởng tới trạng thái keo của protein, đây là nguyên nhân gây nên trạng thái mỏi mệt.



Ý nghĩa về sinh tổng hợp: Quá trình đường phân ngoài việc khai thác năng lượng, nó còn tạo ra nguyên liệu để tổng hợp lipid đó là phospho glyceral và acetyl coenzymeA:

Acid pyruvic ----------- > Acetyl coenzymeA, đây là nguyên liệu để tổng hợp acid béo.

4.2.8. Acid lactic và vòng Cori

Acid lactic bị ứ đọng ở mô bào là nguyên nhân gây ra sự mỏi mệt của cơ thể vì khi ứđọng nó gây ảnh hưởng tới trạng thái keo của cơ, cho nên trong cơ thể có một cơ chế để giải thoát sự ứ đọng acid lactic. Khi cơ thể nghỉ ngơi, máu được lưu thông bình thường thì acid lactic ứ đọng từ các mô bào sẽ chuyển ra máu, từ máu chuyển về gan, thấm vào các tế bào gan, ở đây có một hệ thống enzyme gần giống như hệ thống enzyme đi ngược lại quá trình đường phân tổng hợp từ acid lactic thành glucose và từ glucose này có thể lại thành glycogen rồi lại thành glucose để đưa vào máu chở tới các mô bào. Đó là con đường giải thoát acid lactic ứ đọng ở mô bào và tiết kiệm được nguồn glucid của cơ thể. Acid lactic không bị đào thải ra ngoài như các chất độc khác. Quá trình đó được biểu diễn bằng vòng Cori (hình 6.21.).

Cơ Máu Gan

Glucose <--------------- Glucose < ----------- Glucose

↓↓↓↓ ↑↑↑↑

Glucogen

↓↓↓↓ ↑↑↑↑

Glucose

↓↓↓↓ ↑↑↑↑

Acid lactic ---------- > Acid lactic ----------- > Acid lactic

Hình 6.21. Vòng Cori

Ở bắp thịt khi điều kiện cung cấp oxy được cải thiện thì khoảng 4/5 lượng acid lactic hình thành được đưa ra máu về gan còn 1/5 có thể oxy hoá ngay theo con đường phân giải hiếu khí. Cơ thể được tập luyện nhiều thì chu trình Cori hoạt động tốt, thời gian giải thoát acid lactic khỏi cơ bắp nhanh nên lâu mỏi.



4.3. Quá trình lên men rượu ethylic

Quá trình lên men rượu ethylic do tế bào saccharomyces cerevisiae thực hiện. Khi glucose được đưa vào tế bào thì hệ thống enzyme phân giải glucose của nó hoạt động và tạo ra ATP cho tế bào còn sản phẩm cuối cùng là rượu ethylic được tống ra ngoài môi trường.

Nấm men và một số vi sinh vật khác lên men glucose thành rượu ethylic và CO2. Glucose được biến đổi thành pyruvate giống như quá trình đường phân và pyruvate được biến đổi thành rượu ethylic và CO2. Quá trình gồm 2 bước.

Bước thứ nhất, pyruvate bị khử carboxyl, được xúc tác bởi pyruvate decarboxylase. Pyruvate decarboxylase đòi hỏi Mg2+ và có sự liên kết với coenzyme thiamin pyrophosphate (TPP).

Bước thứ 2, acetaldehyde được khử thành ethanol với NADH2 nhận được từdehydrogenase hóa glyceraldehyde3-phosphate qua hoạt động của alcohol dehydrogenase. Ethanol và CO2, thay cho lactate, vì vậy chúng là sản phẩm cuối cùng của sự lên men rượu (hình 6.22). Tổng quan sự cân bằng của sự lên men là:

Glucose + 2 ADP + 2 Pi → 2 ethanol + 2 CO2 + 2 ATP + 2 H2O

Trong sự lên men rượu ethylic không có sự thay đổi có giá trị về tỷ lệ nguyên tử hydro với carbon khi glucose được lên men (tỷ lệ H: C = 12/6 =2) thành 2 ethanol và 2 CO2 (tỷ lệ

Hình 6.22. Sự tạo thành rượu ethylic



H=C kết hợp =12/6=2). Như vậy trong quá trình lên men, tỷ lệ H: C của các chất tham gia phản ứng hóa học và các sản phẩm giữ nguyên như nhau.

Pyruvate decarboxylase có trong nấm men bia và bánh mì và trong tất cả các cơ thểkhác nhau, nó làm tăng sự lên men alcohol, chúng cũng có trong một số thực vật. CO2 được tạo thành bởi sự decarboxyl hóa pyruvate trong nấm men bia đảm bảo đặc tính bão hoà carbonate của champagne. Sự nở của bánh mì khi nướng là do CO2 có liên quan đến pyruvate decarboxylase khi trộn nấm men với đường. Enzyme này không có mặt trong các mô động vật có xương sống và một số cơ thể khác như vi khuẩn lên men lactic.

Alcohol dehydrogenase có trong nhiều cơ thể kể cả ở người.

4.4. Sự lên men vi sinh vật tạo các sản phẩm có giá trị thương mại.

Lactate và ethanol là các sản phẩm phổ biến của sự lên men vi sinh vật, ngoài ra còn có những sản phẩm lên men khác cũng được tạo ra. Năm 1910 Chaim Waizann (sau này trởthành tổng thống đầu tiên của Israel) đã phát hiện ra vi khuẩn Clostridium acetobutylicum lên men tinh bột thành butanol và acetone. Phát hiện này đã mở ra lĩnh vực lên men công nghiệp, trong đó các nguyên liệu giàu polysaccharide (thí dụ tinh bột ngô hoặc rỉ đường) được sửdụng để nuôi cấy các vi sinh vật đặc biệt cho sự lên men chúng thành các sản phẩm có giá trịlớn: các acid formic, acetic, propionic,bytyric và succinic, glycerol, isopropanol, butanol và butanediol.

4.5. Các monosaccharide khác có thể đi vào con đường đường phân.

Trong hầu hết các cơ thể, các hexose khác cũng có thể đi vào đường phân sau khi được phosphoryl hóa.

D- Fructose ở dạng tự do có nhiều trong quả và được tạo thành khi thuỷ phân sacarose trong ruột non có thể phosphryl hóa bởi hexokinase. Hexokinase này hoạt động trên nhiều hexose khác nhau.

Fructose + ATP ⎯⎯ →⎯+2Mg fructose -6-phosphate + ADP

Hình 6.23. Sự chuyển hoá Fructose-1-phosphate



Trong cơ và thận của động vật có xương sống, con đường này là chủ yếu. Tuy nhiên, trong gan fructose lại đi vào quá trình đường phân bằng một con đường khác. Enzyme fructokinase của gan xúc tác sự phosphoryl hoá ở C1 chứ không phải ở C6.

Fructose-1-phosphate sau đó bị cắt để tạo thành glyceraldehyde và dihydroxyacetone phosphate bởi fructose-1-phosphate aldolase (hình 6.23).

Dihydroxyacetone phosphate được biến đổi thành glyceraldehyde-3-phosphate bởi enzyme đồng phân triose phosphate isomerase. Glyceraldehyde được phosphoryl hóa bởi ATP và triose kinase thành glyceraldehyde-3-phosphate:

Glyceraldehyde +ATP ⎯⎯ →⎯+2Mg Glyceraldehyde-3-phosphate +ADP.

Vì vậy cả 2 sản phẩm của sự thuỷ phân fructose đi vào con đường đường phân là glyceraldehyde-3-phosphate.

D-Galactose được phân giải bởi sự thuỷ phân của disaccharide lactose (đường sữa), đầu tiên bị phosphoryl hóa ở C-1 do ATP dưới sự xúc tác của enzyme galactokinase:

Galactose + ATP → Galactose-1-phosphate + ADP

Galactose-1-phosphate sau đó được biến đổi thành epimer của nó ở C-4 thành glucose-1-phosphate bởi một loạt phản ứng trong đó có sự tham gia của uridine diphosphate (UDP) như là chất mang tương tự coenzyme (coenzyme like) của các nhóm hexose (hình 6.24).

Có một số bệnh di truyền ở người, trong đó sự trao đổi galactose bị ảnh hưởng. Trong phần lớn dạng chung của galactosemia, enzyme galactose 1-phosphate uridinetransferase (hình 6.24) bị khiếm khuyết di truyền, ngăn trở sự biến đổi galactose thành glucose. Những dạng khác nhau của galactosemia khi galactokinase của chúng hoặc UDP –glucose –4- epimerase bị khiếm khuyết di truyền.

D-Mannose tăng lên khi phân giải nhiều polysaccharide và glucoprotein có trong thực phẩm có thể bị phosphoryl hóa ở C-6 bởi hexokinase:

Mannose + ATP ⎯⎯ →⎯+2Mg Mannose -6-phosphate + ADP

Mannose –6-phosphate sau đó được đồng phân hóa bởi hoạt động của phosphomannose isomerase tạo thành fructose-6-phosphate, chất trung gian của quá trình đường phân.



Hình 6.24. Con đường biến đổi D-galactose thành D-glucose. Quá trình biến đổi qua dẫn xuất đường–nucleotide, UDP-galactose được tạo thành khi galactose-1-phosphate chuyển cho glucose-1-phosphate từ UDP-glucose. UDP-galactose sau đó được biến đổi bởi UDP-glucose-4-epimerase thành UDP-glucose. UDP-glucose được mở vòng qua 1 vòng khác của chính phản ứng. Tác dụng của chu trình này là sự biến đổi galactose-1-phosphate, không tạo thành hoặc tiêu thụ UDP-galactose hoặc UDP-glucose.



5. Sự oxy hoá glucose trong điều kiện có đủ oxy

Khi việc nạp oxy từ máu của mô bào được đầy đủ thì sự chuyển hoá trung gian glucose sẽ đi theo hướng khác, nhìn chung khi có mặt oxy thì có 2 cách phân giải glucose:

1. Oxy hoá theo chu trình Krebs.

2. Oxy hoá theo chu trình pentose phosphate.

Khả năng thứ 2 không phải có ở tất cả các mô bào, mà chỉ có ở một số mô bào như mô lipid, tuyến thượng thận, tuyến sinh dục... là những nơi mà quá trình oxy hoá gắn chặt với quá trình tổng hợp các chất như acid béo, các hormone. Vì oxy hoá theo chu trình pentose

Hình 6.25. Tổng quát các con đường của các hexose, các disaccharide và các polysaccharide đi vào trung tâm con đường đường phân.



phosphate với mục đích chính là tạo ra các đương lượng khử NADPH2 cho quá trình sinh tổng hợp... Trong điều kiện bình thường thì khả năng 1 là chủ yếu.

5.1. Oxy hoá theo chu trình Krebs. (Chu trình acid citric, chu trình các acid tricacboxylic)

Phần lớn các tế bào nhân chuẩn và các vi khuẩn hiếu khí thực hiện khai thác năng lượng bằng con đường oxy hóa các “nhiên liệu” sinh vật của chúng bằng con đường oxy hoá theo chu trình Krebs để tạo thành CO2 và H2O. Oxy hoá theo chu trình Krebs thì pyruvate được hình thành trong quá trình phân giải glucose không bị khử thành lactate, ethanol hoặc một số sản phẩm lên men khác như xảy ra trong điều kiện kị khí, mà được thay thế bằng sựkhử thành CO2 và H2O ở pha hiếu khí của quá trình trao đổi chất, gọi là quá trình hô hấp.

Quá trình hô hấp xảy ra với 3 bước chính (hình 6.26). Trong bước đầu tiên, các phân tửnhiên liệu (glucose, acid béo và một số acid amin) được oxy hóa thành acetyl-coenzyme A (acetyl-CoA). Bước thứ hai, các nhóm acetyl-CoA này được đi vào chu trình acid citric, chu trình này oxy hóa chúng thành CO2. Năng lượng được giải phóng ra bởi quá trình oxy hóa được tồn tại trong NADH2 và FADH2. Bước thứ 3 của quá trình hô hấp là các cofactor NADH2 và FADH2 đi vào chuỗi hô hấp, các proton (H+) và điện tử của nó được vận chuyển trong các thành viên của chuỗi hô hấp, năng lượng của chúng được nhả dần và cuối cùng khửO2 thành H2O. Trong quá trình này điện tử đã chuyển về bậc năng lượng thấp (bậc năng lượng ban đầu) số năng lượng giải phóng ra chủ yếu được tích luỹ vào ATP. Quá trình này được gọi là phosphoryl hóa. Quá trình hô hấp phức tạp hơn quá trình đường phân và là bước tiến hóa của sinh vật.

Bước thứ 3 của quá trình là sự hô hấp mô bào tức là quá trình chuyển điện tử và phosphoryl hóa oxy hóa đã được trình bày ở chương V. Trong chương này chúng ta xem xét quá trình oxy hóa hoàn toàn phân tử pyruvate và chu trình acid citric, còn được gọi là chu trình acid tricarboxylic hay chu trình Krebs. Chúng ta xem xét các phản ứng trong chu trình và các enzyme xúc tác cho chúng. Bởi vì các phản ứng trung gian của chu trình acid citric thường được sử dụng như các tiền chất sinh tổng hợp, một số phản ứng trung gian này quan trọng để chu trình tiếp tục hoạt động.

5.1.1. Sự tạo thành acetate.

Chu trình Krebs là con đường oxy hoá không chỉ với đường mà còn là con đường oxy hoá với tất cả các hợp chất hữu cơ từ thức ăn đưa vào

Ở các sinh vật hiếu khí, glucose và các đường khác, các acid béo và hầu hết các acid amin bị oxy hóa hoàn toàn thành CO2 và H2O bằng chu trình acid citric. Trước khi chúng có thể đi vào chu trình thì chúng phải được chuyển thành acetyl–CoA là chất chủ yếu đi vào chu



trình acid citric. Nhiều carbon của acid amin cũng đi vào chu trình bằng cách này hoặc phân giải thành các chất trung gian khác của chu trình. Trước hết chúng ta xét quá trình chuyển hoá từ pyruvate do quá trình đường phân tạo ra thành acetyl-CoA và CO2 bởi tập hợp của 3 enzyme, gọi là phức hợp pyruvate dehydrogenase, định vị trong thể hạt sợi của các tế bào nhân chuẩn và ở tế bào chất của tế bào nhân xơ.

Phức hợp pyruvate dehydrogenase, đã được nghiên cứu rất kỹ, đó là một phức hợp có 5 cofactor tham gia vào phản ứng, tất cả các coenzyme đều được bắt nguồn từ các vitamin. Phức hợp pyruvate dehydrogenase là dạng gốc cho 2 phức hợp enzyme quan trọng khác là:

Hình 6.26: Quá trình trao đổi chất của protein, lipde và glucide xảy ra trong 3 bước của quá trình hô hấp tế bào. bước 1: oxy hóa các acid béo, glucose và một số acid amin tạo acetyl-CoA. Bước 2 ôxy hoá acetyl-CoA bằng chu trình acid citric bao gồm 4 bước, trong đó các cặp H cao năng và điện tửbị tách ra. Bước 3: Các cặp H cao năng và điện tử này được mang bởi NADH2 và FADH2 đi vào chuỗi hô hấp ởmàng trong của ty thể(hoặc màng sinh chất ởvi khuẩn)- trong chuỗi hô hấp chúng khử O2

thành H2O. cặp proton và điện tử này điều khiển quá trình tổng hợp ATP trong quá trình phosphoryl hóa oxy hóa.



α -cetoglutarat dehydeogenase (của chu trình acid citric) và chuỗi mở α -cetoacid dehydeogenase được phát triển trong sự thoái hoá của một vài acid amin.

Hình 6.27. Phản ứng tổng quát được xúc tác bởi phức hợp pyruvate dehydrogenase

Pyruvate bị oxy hóa thành acetyl-CoA và CO2

Hình 6.28. Cấu trúc của coenzyme A. Một nhóm hydroxyl của acid pantotenic kết hợp với một phân nửa ADP đã được sửa đổi bởi một liên kết phosphate este và nhóm carboxyl của nó được gắn vào β -mercapto ethylamine trong liên kết amide. Nhóm hydroxyl ở vị trí 3’ của phân nửa ADP có nhóm phosphate không có mặt trong ADP của chính nó. Nhóm –SH của nửa mercapto thylamine định dạng một thioeste với acetate trong acetyl-CoA.

Phản ứng tổng quát được xúc tác bởi phức hợp pyruvate dehydrogenase là decarboxy hóa oxy hóa, một quá trình oxy hóa không thuận nghịch trong đó nhóm carboxyl chuyển từpyruvate như một phân tử CO2 và 2 carbon còn lại tạo nhóm acetyl-CoA (hình 6.27).

NADH2 được hình thành trong phản ứng này mang cặp proton và điện tử của nó vào chuỗi hô hấp (hình 6.26) để tới O2 hoặc trong các vi sinh vật kỵ khí, tới một chất nhận điện tửtiếp theo chẳng hạn như lưu huỳnh. Điện tử này chuyển tới oxy cuối cùng tạo ra 3 phân tửATP trên một cặp điện tử. Tính không thuận nghịch của phản ứng pyruvate dehydrogenase được chứng minh bởi các thí nghiệm đánh dấu đồng vị: CO2 đã được đánh dấu phóng xạkhông thể gắn lại với acetyl –CoA.



Phức hợp pyruvate dehydrogenase cần 5 coenzyme.

Sự khử hydro và decarboxyl hóa pyruvate acetyl-CoA (hình 6.27) cần tới sự tham gia của các enzyme với 5 coenzyme khác nhau hoặc các nhóm phụ là thiamin pyrophosphate (TPP), flavin adenine dinucleotide (FAD), coenzymeA (CoA), nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) và lipoate. Bốn vitamin là các thành phần trọng yếu của hệ thống này là: thiamin (B1) trong TPP, riboflavin (B2) trong FAD, niaxin trong NAD và pantotenate trong coenzyme A.

Nhóm thiol phản ứng:

Coenzyme A có một nhóm thiol (-SH) hoạt động (hình 6.28), vai trò của nó như một chất mang acyl trong các phản ứng trao đổi chất. Các nhóm acyl được liên kết với nhóm thiol tạo thành thioeste. Vì năng lượng tự do của quá trình thuỷ phân tương đối cao nên các thioeste có một nhóm acyl có khả năng chuyển cho các nhóm acyl của chúng tới các phân tử chất nhận khác nhau. Nhóm acyl được gắn vào Coenzyme A vì vậy hoạt hóa nhóm chuyển.

Hình 6.29. Acid lipoic trong liên kết amide với chuõi bên của một phần Lys là nhóm prosthetic của dihydrolipoyl transacetylase (E2). Nhóm lipoyl ở dạng oxy hóa (disulfide) hoặc dạng khử (didhiol) và có thể hoạt động như một chất mang cả nhóm hydro và nhóm acetyl (hoặc acyl khác)

Cofactor thứ 5 cho phản ứng pyruvate dehydrogenase là lipoate (hình 6.29), có 2 nhóm thiol, cả hai đều đóng vai trò như cofactor. Ở dạng lipoate khử thì cả 2 nguyên tử lưu huỳnh đều có mặt trong các nhóm –SH nhưng các sản phẩm oxy hóa một liên kết disunfide (-S-S) giống như giữa 2 nhóm Cys trong một protein. Vì khả năng tham gia các phản ứng oxy hóa khử nên lipoate có thể đáp ứng cả hai như một chất mang điện tử và chất mang acyl, cả hai chức năng này đều quan trọng trong hoạt động của phức hợp pyruvate dehydrogenase.



Phức hợp pyruvate dehydrogenase gồm có 3 enzyme khác nhau:

Phức hợp Pyruvate Dehydrogenase gồm có vô số các bản sao của một trong 3 enzyme Pyruvate Dehydrogenase (E1); dihydrolipoyl transacetylase (E2) và dihydrolipoyl dehydrogenase (E3) (bảng 6-1). Số lượng các bản sao của mỗi dưới đơn vị là khác nhau do đó kích cỡ của phức hợp ở các sinh vật là khác nhau. Phức hợp Pyruvate Dehydrogenase được tách ra từ E.coli (Mp > 4,5. 106 ), đường kính khoảng 45nm, thường lớn hơn một ribosome và có thể hình dung dưới kính hiển vi điện tử (hình 6.30). “Lõi ” của tập hợp là nơi mà các enzyme khác tấn công. Trong phức hợp từ E.coli gồm 24 bản sao của chuỗi polypeptide, mỗi bản sao chứa 3 phân tử liên kết hóa trị lipoate, cấu thành nên lõi. Đối với phức hợp từ động vật có vú, có 60 bản sao E2 và 6 bản sao của protein có liên quan, protein X cũng chứa lipoate liên kết đồng hóa trị. Sự tấn công của lipoate vào đầu tận cùng của các chuỗi bên Lys trong E2 tạo ra các nhóm acetyl từ một vị trí hoạt động tới một vị trí khác trong phức hệ Pyruvate Dehydrogenase. Liên kết với lõi của các phân tử E2 là 12 bản sao của Pyruvate Dehydrogenase (E1), mỗi bản sao được tạo phức từ 2 dưới đơn vị giống nhau, và 6 bản sao của dihydro lipoyl dehydrogenase (E3), mỗi bản sao cũng được tạo phức từ 2 dưới đơn vịgiống nhau. Pyruvate dehydrogenase (E1) chứa liên kết TPP, và dihydrolipoyl dehydrogenase (E3) chứa liên kết FAD. Hai protein điều hoà cũng là thành phần của phức hợp Pyruvate dehydrogenase (protein kinase và protein phosphotase) sẽ được thảo luận sau.

Bảng 6.1: Thành phần dưới đơn vị của phức hợp Pyruvate dehydrogenase E.coli.

Enzyme Coenzyme Khối lượng phân tửcủa dưới đơn vị

Số lượng dưới đơn vị trên 1 phức hợp

Pyruvate dehydrogenase (E1) TPP 96,000 24

Dihydrolipoyl transacetylase (E2)

Lipoate, CoA

65,000 – 70,000 24

Dihydrolipoyltransacetyrase (E3) FAD,NAD 56,000 12

Các chất trung gian liên kết với bề mặt enzyme.

Hình 6.30. Các bước trong quá trình decarboxyl hóa oxy hóa pyruvate thành acetyl – CoA nhờ phức hệenzyme dehydrogenase. Ở bước � pyruvate phản ứng với thiamin pyrophosphate (TPP) của pyruvate dehydrogenase (E1). Pyruvate dehydrogenase cũng thực hiện bước � chuyển 2 điện tử và nhóm acetyl từTPP thành dạng oxy hóa của nhóm lipoyl lysyl của enzyme lõi, còn transacetylase (E2) thành dạng acetyl thiosete của nhóm lipoyl khử. Bước nhóm -SH của CoA và dạng khử (didhiol) của nhóm lipoyl. ở bước �dihydrolipoyl dehydrogenase (E3) thúc đẩy sự vận chuyển 2 nguyên tử hydro từ các nhóm lipoyl khử của E2 tới nhóm prosthetic FDA của E3, hình thành nhóm lipoyllysyl oxy hóa của E2 (vàng). ở bước�, nhóm FADH2 khử trên E3 chuyển một ion hydride tới NAD+

hình thành NADH. Lúc này phức hợp enzyme sẵn sàng cho chu trình xúc tác khác.



Hình 6.30. cho thấy sơ đồ phức hợp dehydrogenase thực hiện 5 phản ứng decarboxyl hóa và dehydrogenase hóa pyruvate. Bước � phản ứng được xúc tác bởi pyruvate decarboxylase, C-1 của pyruvate được giải phóng dưới dạng CO2, và C-2 trong pyruvate oxy hóa một aldehyde tấn công TPP như một nhóm hydroxyethyl. Bước � nhóm này oxy hóa thành một acid carboxylic (acetate). Hai điện tử được chuyển vào phản ứng oxy hóa làm biến đổi –S-S- của một nhóm lipoyl trên E2 thành 2 nhóm thiol (-SH). Acetate được tạo thành trong phản ứng oxy hoá khử này đầu tiên bị este hóa thành một trong các lipoyl –SH, sau đó được chuyển tới CoA để hình thành acetyl –CoA (bước ). Vì vậy năng lượng của quá trình oxy hóa điều khiển thông tin của một thioester cao năng của acetate.

Phần còn lại của các phản ứng được xúc tác bởi phức hợp pyruvate dehydrogenase (các bước � và � chuyển điện tử cần thiết để tái tạo lại dạng disulfide của nhóm lipoyl của E2 đểchuẩn bị phức hợp enzyme cho chu trình oxy hóa khác. Các điện tử chuyển từ nhóm hydroxy ethyl được bắt nguồn từ pyruvate cuối cùng tồn tại ở dạng NADH2 sau khi đi qua FAD.

Trung tâm của quy trình là lắp các nhánh lipoyllysyl của E2 thông qua 2 điện tử và nhóm acetyl bắt nguồn từ pyruvate từ E1 đến E3.

Các động vật thiếu thiamin không thế oxy hóa pyruvate một cách bình thường, thiamin đặc biệt quan trọng trong não.

5.1.2. Các phản ứng của chu trình acid citric.

Như ta đã biết acetyl -CoA được hình thành từ pyruvate như thế nào, bây giờ chúng ta hãy xem xét chu trình acid citric. Đầu tiên chúng ta lưu ý là có sự khác nhau cơ bản giữa quá trình đường phân và chu trình acid citric. Quá trình đường phân gồm một loạt các phản ứng được xúc tác bởi enzyme. Trong khi đó chu trình acid citric thì khép kín (hình 6.31), acetyl CoA cho nhóm acetyl của nó với oxaloacetate để tạo citrate 6 carbon, phân tử này được hydro hóa và mất CO2 để tạo thành hợp chất 5 carbon α -cetoglutarate. Tiếp theo mất tiếp CO2 và tạo thành hợp chất 4 carbon succinate và 1 phân tử CO2 thứ hai. Sau đó succinate được biến đổi trong 3 phản ứng thành oxaloacetate 4 carbon và chu trình lại bắt đầu. Oxaloacetate lại sẵn sàng phản ứng với phân tử acetyl –CoA khác để bắt đầu chu trình thứ 2. Trong mỗi chu trình của chu trình, một nhóm acetyl (2 carbon) gắn vào và 2 phân tử CO2 tách ra, đòng thời một phân tử oxaloacetate được sử dụng để tạo citrate nhưng sau một loạt các phản ứng oxaloacetate được tái sinh. Do đó một phân tử oxaloacetate về lý thuyết thì có thểđủ để oxy hóa một lượng lớn các nhóm acetyl riêng biệt. Bốn trong 8 phản ứng trong chu trình này là phản ứng oxy hóa, trong đó năng lượng của quá trình oxy hóa được duy trì với hiệu quả cao tạo ra các cofactor khử (NADH2 và FADH2).

Vì vậy chu trình acid citric là trung tâm trao đổi năng lượng. Các chất trung gian 4 và 5 carbon của chu trình cung cấp các tiền chất sinh tổng hợp. Để thay thế cho mục đích này thì các chất trung gian bị thay đổi, các tế bào thực hiện các phản ứng bù như đã được mô tả.

Eugene Kennedy và Albert Lehninger (1948) đã chỉ ra rằng ở các tế bào nhân chuẩn, toàn bộ các phản ứng của chu trình acid citric đều xảy ra ở ty thể. Ty thể chứa tất cả các enzyme và coenzyme cần thiết cho chu trình acid citric. Ty thể cũng chứa các enzyme xúc tác phản ứng oxy hóa các acid béo tạo acetyl-CoA và các acid amin, chẳng hạn một số acid amin được tổng hợp từ α -cetoglutarate, succinyl CoA hoặc oxaloacetate. Vì vậy ở các tế bào nhân chuẩn không quang hợp, ty thể là nơi chủ yếu xảy ra các phản ứng oxy hóa tạo năng lượng và



tổng hợp ATP. Còn ở các tế bào nhân chuẩn quang hợp thì ty thể là nơi chính tạo ATP vào ban đêm, nhưng ban ngày thì lục lạp tạo phần lớn chế phẩm này. Phần lớn các tế bào nhân xơchứa các enzyme của chu trình acid citric trong phần tế bào chất của chúng và màng sinh chất thực hiện chức năng tương ứng với màng ty thể trong quá trình tổng hợp ATP.

Chất dẫn dắt acetyl CoA là oxaloacetate. Nguồn cung cấp oxaloacetate có 2 nguồn:

Từ acid aspartic theo con đường khử amin:

Từ acid pyruvic được carboxyl hoá (đây là con đường chính):

Chu trình acid citric có 8 phản ứng:

Chu trình acid citric được thực hiện bởi một hệ thống enzyme hoạt động liên hoàn với nhau (multyenzyme) theo một vòng nên còn gọi là vòng acid citric hay là vòng Krebs (hình 6.31). Trong 8 phản ứng của chu trình acid citric, sẽ nhấn mạnh đặc biệt sự biến đổi hóa học tạo citrate từ acetyl-CoA và oxaloacetate bị oxy hóa thành CO2 và năng lượng của quá trình oxy hóa này tồn tại ở dạng các coenzyme khử NADH2 và FADH2.

�� Sự hình thành citrate: phản ứng đầu tiên của chu trình là sự kết hợp của acetyl-CoA và oxaloacetate tạo ra citrate, phản ứng được xúc tác bởi citrate hydratse.

Trong phản ứng này, carbon methyl của nhóm acetyl kết hợp với nhóm carbonyl (C-2) của oxaloacetate. Cidroyl-CoA là một chất trung gian chuyển tiếp. Nó tồn tại trên vị trí hoạt



động của enzyme và bị thuỷ phân tạo thành CoA tự do và citrate sau đó được giải phóng khỏi vị trí hoạt động. Quá trình thuỷ phân của chất trung gian thioester cao năng tạo phản ứng thuận giải phóng năng lượng. CoA tồn tại trong phản ứng này được lặp lại chu trình, nó sẵn sàng tham gia khử carboxyl hóa bằng cách oxy hóa phân tử pyruvate khác nhờ phức hợp pyruvate dehydrogenase để tạo thành phân tử acetyl-CoA khác đi vào chu trình.

Hình 6.31. Các phản ứng của chu trình acid citric. Các nguyên tử carbon được bắt nguồn từ acetate của acetyl-CoA. Các bước �, và � không thuận nghịch trong tế bào, còn tất cả các phản ứng khác là phản ứng thuận nghịch.



�� Sự hình thành isocitrate thông qua cis- Aconitate: enzyme aconitase (thường gọi là aconitate hydratase) xúc tác quá trình biến đổi nghịch citrate thành isocitrate thông qua dẫn xuất trung gian acid tricarboxylic là cis-aconitate thường không tách ra từ vị trí hoạt động.

Aconitase có thể kích thích sự bổ sung H2O thuận nghịch tạo liên kết đôi cis-aconitate liên kết enzyme theo 2 cách khác nhau, một tạo citrate và một cách khác tạo isocitrate. Vì vậy hỗn hợp cân bằng ở pH7,4 và 250C chứa ít hơn 10% isocitrate. Aconitase chứa một trung tâm sắt-lưu huỳnh hoạt động cả trong liên kết cơ chất tại vị trí hoạt động và trong quá trình xúc tác bổ sung và loại nước (hình 6.32).

Hình 6.32. Trung tâm sắt - lưu huỳnh với aconitase hoạt động liên kết cơ chất và xúc tác. 3 gốc Cys của enzyme liên kết với 3 nguyên tử sắt ởtrung tâm sắt – lưu huỳnh (màu vàng); nguyên tửsắt thứ 4 liên kết với một trong các nhóm carboxyl của citrate (màu xanh).

Quá trình oxy hóa isocitrate thành α -cetoglutarate và CO2. Trong bước tiếp theo, isocitrate dehydrogenase xúc tác quá trình decarboxyl hóa oxy hóa isocitrate để tạo thành α -cetoglutarate.

Có 2 dạng isocitrate dehydrogenase khác nhau, một dạng cần NAD+ như chất nhận điện tử và dạng kia cần NADP+. Các phản ứng khép kín được xúc tác bởi 2 isozyme khác. Enzyme



có NAD+ được tìm thấy trong ty thể và đáp ứng chu trình acid citric để tạo ra α -cetoglutarate. Còn isozyme dựa vào NADP+ thì được tìm thấy cả trong ty thể và sinh chất.

�� Quá trình oxy hóa α -cetoglutarate thành succinyl –CoA và CO2: Bước tiếp theo là quá trình decarboxyl hoá oxy hóa, trong bước này α -cetoglutarate biến đổi thành succinyl –CoA và CO2 bởi hoạt động của phức hợp cetoglutarate dehydrogenase; NAD+ tham gia nhưchất nhận điện tử.

Phức hợp α -cetoglutarate dehydrogenase cấu tạo từ 3 enzyme giống như E1, E2, E3 của phức hợp pyruvate dehydrogenase nhưng chúng có trình tự sắp xếp acid amin khác nhau.

�� Quá trình biến đổi succinyl –CoA thành succinate:

Succinyl –CoA cũng như acetyl-CoA, có năng lượng tự do thuỷ phân liên kết thioester cao ( 'GΔ = -36KJ/mol). Trong bước tiếp theo của chu trình, phá vỡ liên kết này để điều khiển quá trình tổng hợp một liên kết phosphoanhydride ở GTP hoặc ATP và succinate cũng được

hình thành trong quá trình.

Enzyme xúc tác cho phản ứng là succinyl –CoA synthetase hoặc succinyl kinase.

Phản ứng tạo năng lượng có một bước trung gian mà trong đó phân tử enzyme bịphosphoryl hóa ở gốc His ở vị trí hoạt động (hình 6.33). Nhóm phosphate này có một nhóm có khả năng biến đổi lớn, nó biến đổi ATP (hoặc GTP) thành ADP (hoặc GDP).

Sự biến đổi ATP (hoặc GTP) tiêu tốn năng lượng lấy từ quá trình decarboxyl hóa oxy hóa α cetoglutarate. Đó là một ví dụ về quá trình phosphoryl hóa cơ chất giống như quá trình tổng hợp ATP để oxy hoá glyceraldehyde –3 phosphate trong quá trình đường phân. Khác với



phản ứng phosphoryl hóa cơ chất, quá trình phosphoryl hóa trong ty thể hoặc lục lạp được thực hiện nhờ hệ thống enzyme liên kết màng nhờ cơ chế tạo năng lượng qua sự phân bốchênh lệch proton bên màng.

Hình 6.33: Các chất trung gian trong phản ứng succinyl-CoA synthetase. Ở bước �� một nhóm phosphate thay thế CoA trong succinyl –CoA liên kết enzyme tạo một acyl phosphate cao năng. Ở bước �� succinyl phosphate cho nhóm His trên enzyme nhóm phosphate của nó, tạo enzyme phosphohistidine cao năng. Ở bước nhóm phosphate được chuyển từ nhóm His tới phosphate cuối cùng của GDP, tạo GTP.

GTP được hình thành nhờ succinyl –CoAsynthetase có thể cho nhóm phosphate cuối cùng của nó cho ADP để tạo ATP nhờ phản ứng thuận của nucleotide diphosphate kinase:

GTP +ADP GDP +ATP ΔG0’ = 0 KJ/mol



�� Oxy hóa succinate thành fumarate:

Succinate được hình thành từ succinyl –CoA bị oxy hoá thành fumarate nhờ succinate dehydrogenase chứa flavoprotein. Ở tế bào nhân chuẩn, succinate dehydrogenase nằm trên màng ty thể (còn ở tế bào nhân xơ thì enzyme này nằm trên màng tế bào chất); nó chỉ là enzyme của chu trình acid citric mà gắn với màng. Các điện tử được chuyển từ succinate qua FAD và trung tâm sắt – lưu huỳnh trước khi đi vào chuỗi hô hấp và được sử dụng để tổng hợp 2 phân tử ATP trên mỗi cặp điện tử.

�� Hydrat hóa fumarate để tạo malate: Quá trình hydrate hóa nghịch fumarate thành L-malate được xúc tác bởi fumarase (fumarate hydratase) enzyme này đặc hiệu cao: nó xúc tác quá trình thuỷ phân liên kết đôi của fumarate nhưng không hoạt động trên malate, đồng phân Cis của fumarate.

�� Oxy hóa malate thành oxaloacetate: Ở phản ứng cuối cùng của chu trình acid citric, L –malate dehydrogenase phụ thuộc NAD xúc tác quá trình oxy hóa L-malate thành oxaloacetate.



Cân bằng phản ứng lệch nhiều về phía malate nhưng trong thực tế thì oxaloacetate vừa được tạo thành tham gia ngay vào chu trình nên nồng độ thực của nó luôn thấp, do đó chiều phản ứng luôn hướng về phía tạo oxaloacetate.

Năng lượng của các quá trình oxy hóa trong chu trình

Bây giờ chúng ta đã có một chu trình hoàn thiện chu trình acid citric (hình 6.34). Một nhóm acetyl chứa 2 nguyên tử carbon tham gia vào chu trình bằng cách kết hợp với oxaloacetate. Hai nguyên tử carbon được giải phóng khỏi chu trình dưới dạng CO2 với quá trình oxy hóa isocitrate và α - cetoglutarate, và kết thúc chu trình thì một phân tử oxaloacetate được tạo ra.

Hình 6.34. Các vị trí tạo ra NADH2, FADH2 và GTP của chu trình acid citric

Mỗi chu trình acid citric tạo ra 3 NADH2, 1 FADH2 và 1 GTP (hoặc ATP). 2 CO2 được giải phóng ra trong các phản ứng khử carboxyl hóa bằng oxy hóa.



Chúng ta đã biết năng lượng được tạo thành từ quá trình đường phân (một phân tửglucose phân giải thành 2 pyruvate) là 2 phân tử ATP. Khi cả 2 phân tử pyruvate oxy hóa hoàn toàn sẽ tạo thành 6 phân tử CO2 trong các phản ứng được xúc tác bởi phức hợp pyruvate dehydrogenase và các enzyme của chu trình acid citric và các điện tử được chuyển tới O2 qua chuỗi hô hấp tạo ra 38 ATP trên một phân tử glucose. Nhưng năng lượng tự do của phân tửglucose là 2,840 kJ/mol, khi oxy hóa hoàn toàn một glucose tạo ra năng lượng dự trữ 38 x 30,5 KJ/mol = 1,160KJ/mol như vậy hiệu suất là 40% (bảng 6.2).

Bảng 6.2. Sự tạo thành ATP trong các quá trình hô hấp một phân tử glucose qua đường phân, phản ứng pyruvate dehydrogenase và chu trình acid citric.

Phản ứng Số lượng ATP hoặc coenzyme tạo thành

Số lượng ATP tạo thành

Glucose →glucose–6-phosphate -ATP -1

Fructose–6-�→ fructose-1,6-bi � -1ATP -1

2 glyceraldehyde 3-� →

2 1,3- diphosphoglyxerat

2NADH 6

2 1,3-diphosphoglycerate →

2 3-phosphoglycerate

2ATP 2

2 phosphoenolpyruvate→2pyruvate 2ATP 2

2 pyruvate → 2 acetyl –CoA 2NADH 6

2 isocitrate → 2 α -cetoglutarate 2NADH 6

2 α -cetoglutarate →2 succiyl-CoA 2NADH 6

2 succinyl-CoA →2 succinate 2ATP (hoặc 2 GTP)

2

2 succinate → 2 fumarate 2FADH2 4

2 malate → 2 oxaloacetate 2NADH 6

Tổng số 38

5.1.3. Chu tr×nh acid citric ®−îc ph¸t hiÖn nh− thÕ nµo?

Chu tr×nh acid citric ®−îc Hans Krebs ®−a ra lÇn ®Çu tiªn nh− qu¸ tr×nh oxy hãa pyruvate ë c¸c m« ®éng vËt n¨m 1937. Ý tưởng này xuất hiện khi ông nghiên cứu ảnh hưởng của các anion của acid hữu cơ khác nhau lên tỷ lệ tiêu thụ oxy hóa pyruvate trong mô cơ ngực bồ câu. Cơ này dùng để bay nên có tỷ lệ hô hấp rất cao. Trước đó các nhà nghiên cứu, đặc biệt là Albert Szent – Gyorgyi đã tìm thấy các acid dicarboxylic chứa 4 carbon có mặt trong mô động vật - succinate, fumarate, malate và oxaloacetate – kích thích quá trình tiêu thụ oxy nhờcơ. Krebs đã thừa nhận chúng và phát hiện rằng chúng cũng kích thích quá trình oxy hóa



pyruvate. Hơn nữa, ông cũng thấy rằng quá trình oxy hóa pyruvate nhờ cơ cũng được kích thích bởi các acid tricarboxylic 6 carbon: citrate, cis-aconitate và isocitrate và α - cetoglutarate 5 carbon.

Phát hiện quan trọng thứ 2 là Krebs cho rằng sự có mặt của malonate, chất ức chế cạnh tranh của succinate đối với succinate dehydrogenase gây ra sự tích lũy citrate, α - cetoglutarate và succinate trong dịch mô cơ. Điều này chứng tỏ rằng citrate và α - cetoglutarate là các tiền chất của succinate.

Từ những dữ liệu này, Krebs đã kết luận rằng các acid tricarboxylic và dicarboxylic có thể được sắp xếp trong một trình tự logic hóa học bởi vì sự tạo pyruvate và oxaloacetate với mô cơ trong quá trình tích lũy citrate trong môi trường, Krebs đã suy luận rằng trình tự các chức năng này trong một chu trình đúng hơn kiểu dãy dài, sự bắt đầu và kết thúc của nó liên kết với nhau.

Pyruvate + oxaloacetate → citrate +CO2

Từ các thí nghiệm đơn giản này và suy luận khoa học, Krebs đã giả định cái mà ông ta gọi là chu trình acid citric là con đường chính cho quá trình oxy hóa carboxylic. Từ khi phát hiện ra nó, chu trình acid citric không chỉ có chức năng trong cơ mà còn trong tất cả mô thực vật và động vật và trong nhiều vi sinh vật hiếu khí.

Chu trình acid citric được đặt tên lần đầu tiên từ các thí nghiệm được thực hiện trên dịch mô cơ.

5.1.4. Chu trình acid citric chưa hoàn thiện của sinh vật kị khí

Tám bước trong chu trình, quá trình cho oxy hóa các nhóm acetyl 2 carbon đơn giản thành CO2 có thể thấy là rất khoa học của các tế bào sống. Vai trò của chu trình acid citric là không chỉ oxy hóa acetate, mà con đường này còn là trung tâm của trao đổi chất trung gian. Các sản phẩm cuối cùng 4 hoặc 5 carbon của nhiều quá trình trao đổi chất cũng tham gia vào chu trình với tư cách nhưnhững nhiên liệu. Ví dụ: oxaloacetate và α - cetoglutarate được tạo ra từ aspartate và glutamate tương ứng khi các acid amin này bị phân giải hoặc tạo thành từ các sản phẩm trên khi protein trong chế độ ăn uống bịgiảm.

Phương thức được sử dụng ở các sinh vật hiện đại là sản phẩm tiến hóa. Trong thực tế, có các sinh vật kị khí sử dụng một chu trình acid citric chưa hoàn thiện không phải như một nguồn năng lượng mà là tiền chất sinh tổng hợp (hình 6.35).

Hình 6.35. Các phản ứng không chu kỳcung cấp các tiền chất sinh tổng hợp ở vi khuẩn sinh trưởng kỵ khí. Các tế bào này thiếu α -cetoglutarate dehydrogenase và do đó không thể thực hiện chu trình acid citric hoàn chỉnh, α -



cetoglutarate và succinyl-CoA tồn tại như các tiền chất trong các phản ứng sinh tổng hợp khác nhau (xem hình 6.36).

Các sinh vật này sử dụng 3 phản ứng đầu tiên của chu trình acid citric để tạo α - cetoglutarate, nhưng chúng thiếu α - cetoglutarate dehydrogenase nên không thể thực hiện hoàn thiện các phản ứng cuả chu trình acid citric. Chúng có 4 enzyme xúc tác cho sự biến đổi nghịch oxaloacetate thành succinyl-CoA (hình 6.35) và các vi sinh vật kị khí tạo malate, fumarate, succinate và succinyl –CoA từ oxaloacetate ở dạng nghịch đảo của quá trình oxy hóa “bình thường” thông qua chu trình.

Với quá trình tiến hóa của vi khuẩn lam tạo O2 từ nước, bầu khí quyển của trái đất trởnên hiếu khí và với sức ép chọn lọc, các sinh vật phát triển trao đổi chất hiếu khí, có hiệu quảhơn lên men kị khí.

5.1.5. Các chất trung gian của chu trình acid citric là các tiền chất sinh tổng hợp quan trọng.

Hình 6.36. Các chất trung gian của chu trình acid citric như các tiền chất trong nhiều con đường sinh tổng hợp.

Đối với các sinh vật hiếu khí thì chu trình acid citric là một con đường chuyển hóa lưỡng tính (nó tham gia trong cả 2 quá trình dị hóa và đồng hóa). Nó không chỉ đồng hóa oxy hóa carbon hydrate, acid béo và các acid amin mà nó còn cung cấp các tiền chất cho nhiều con đường sinh tổng hợp (hình 6.36). Nhờ hoạt tính của một vài enzyme phụ quan trọng mà các chất trung gian nào đó của chu trình acid citric, đặc biệt là α -cetoglutarate và oxaloacetate có thể chuyển từ chu trình thành các tiền chất của acid amin. Aspartate và glutamate có các bộ khung carbon giống nhau như oxaloacetate và α -cetoglutarate và được tổng hợp từ chúng nhờ quá trình chuyển amin hoá cơ bản thông qua aspartate và glutamate,



carbon của oxaloacetate và α -cetoglutarate được sử dụng để xây dựng các acid amin khác cũng như các nucleotide purin và pyrimidin. Succinyl-CoA là một chất trung gian trung tâm trong quá trình tổng hợp chu trình porphyrin của các nhóm hem, tồn tại như các chất mang O2(trong hemoglobin và myoglobin) và chất mang điện tử (trong ty thể).

5.1.6. Các phản ứng phục hồi lại các chất trung gian của chu trình acid citric

Khi các chất trung gian của chu trình acid citric biến đổi để tồn tại như các tiền chất sinh tổng hợp thì kết quả là giảm nồng độ các chất trung gian sẽ làm chậm lại sự thay đổi thông qua chu trình acid citric. Tuy nhiên, các chất trung gian có thể được bổ sung nhờ các phản ứng phục hồi (hình 6.35, 6.36, bảng 5.3).

Ở mô động vật, một phản ứng phục hồi quan trọng là quá trình carboxy hóa ngược của pyruvate nhờ CO2 tạo thành oxaloacetate, được xúc tác bởi pyruvate carboxylase (bảng 5.3). Ba phản ứng phục hồi khác cũng được chỉ ra ở bảng 5.3, ở các mô và các sinh vật khác nhau, biến đổi pyruvate hoặc phosphoenol pyruvate thành oxaloacetate. Khi chu trình acid citric thiếu oxaloacetate hoặc bất cứ 1 chất trung gian nào khác thì pyruvate bị carboxyl hóa thành nhiều oxaloacetate hơn.

Phản ứng pyruvate carboxylase là phản ứng phục hồi quan trọng nhất trong gan và thận của động vật có vú.

Bảng 5.3: Các phản ứng phục hồi.

Phản ứng Mô / sinh vật Pyruvate carboxylase

Pyruvate + −3HCO +ATP oxaloacetate +ADP + Pi

Gan, thận

PEPcarboxylase

Phosphoenolpyruvate +CO2 +GTP oxaloacetate + GDP

Tim, c¬ v©n

PEPcarboxylase

Phosphoenolpyruvate + −3HCO oxaloacetate +Pi

Thùc vËt bËc cao, nÊm men, vi khuÈn

Enzyme malic

Pyruvate + −3HCO +NAD (P)H2 malate +NAD(P)+

Ph©n bè réng ë c¸c sinh vËt nh©n chuÈn vµ sinh vËt nh©n x¬.



H×nh 6.37a: Biotin

H×nh 6.37 b: vai trß cña biotin trong ph¶n øng ®−îc xóc t¸c bëi pyruvate carboxylase.

Bicarbonate ®Çu tiªn bÞ biÕn ®æi thµnh CO2 trong 1 ph¶n øng phô thuéc ATP. Sù biÕn ®æi HCO3 thµnh CO2. CO2 v× vËy ®−îc h×nh thµnh ë vÞ trÝ ho¹t ®éng sau ®ã ®−îc bæ sung víi biotin (b−íc1). Ởbước 2, nhóm carboxyl chuyển từ pyruvate thành dạng oxaloacetate (hình 6.37). Các phản ứng carboxyl hóa phụ thuộc biotin khác xảy ra nhờ các quá trình trao đổi chất.



5.1.7. Điều hòa chu trình acid citric:

Các nguyên tử carbon từ pyruvate vào và đi qua chu trình acid citric được điều hòa chặt chẽ ở 2 giai đoạn: Biến đổi pyruvate thành acetyl –CoA (phản ứng phức hệ pyruvate dehydrogenase) và acetyl-CoA đi vào chu trình (phản ứng citrate syntethase). Bởi vì pyruvate không phải là tiền chất duy nhất để tạo acetyl-CoA (phần lớn các tế bào có thể nhận acetyl-CoA nhờ quá trình oxy hóa các acid béo và các acid amin). Các chất trung gian từ các con đường khác này cũng quan trọng để điều hòa quá trình oxy hóa pyruvate và chu trình acid citric. Chu trình cũng được điều hòa nhờ các phản ứng isocitrate dehydrogenase và α -cetoglutarate hydrogenase (hình 6.38).

Hình 6.38. Quá trình điều hòa dòng trao đổi chất từ pyruvate thông qua chu trình acid citric. Phức hợp pyruvate dehydrogenase bị ức chế ở các [ATP]/[ADP]; [NADH]/[NAD+], và [acetyl-CoA]/[CoA] cao. Khi các tỷ lệ này giảm thì sự làm tăng hoạt hóa tương ứng quá trình oxy hóa pyruvate có kết quả. Tỷ lệ của dòng thông qua chu trình acid citric có thể bị hạn chế bởi giá trị các cơ chất oxaloacetate và acetyl-CoA hoặc bởi sự giảm bước oxy hóa mà NAD+ là cofactor. Trong mô cơ, quá trình trao đổi chất tạo năng lượng bù đắp ATP bị tiêu thụ.



5.1.8. Ý nghĩa sinh học của chu trình Krebs

Ý nghĩa về trao đổi chất: Chu trình Krebs là một cơ chế oxy hoá - khử quan trọng nhất, thông qua quá trình này phần lớn các chất hữu cơ từ thức ăn được khai thác năng lượng một cách triệt để như glucid, lipid, acid amin đều có thể trực tiếp hay gián tiếp đi vào chu trình Krebs thông qua các sản phẩm phổ biến là acetyl CoA, α-cetoglutarate, oxalo axetate... Chính vì thế ngoài giá trị là cơ chế oxy hoá khử chu trình Krebs còn đóng vai trò là ngã ba trung gian của trao đổi chất, là giao điểm của trao đổi đường, trao đổi lipid, trao đổi protein. Những sản phẩm của quá trình trao đổi đường có thể trở thành sản phẩm của trao đổi protein, trao đổi lipid và ngược lại. Ví dụ α-cetoglutarate có thể chuyển thành acid amin. Succinyl CoA có thể huy động ra trong quá trình chuyển hoá thể ceton, quá trình tổng hợp Hb...

Ý nghĩa về năng lượng: Thông qua chu trình Krebs cơ thể sinh vật bảo đảm được phần lớn nhu cầu về năng lượng. Xét về mặt tiến hoá, cách khai thác năng lượng qua chu trình Krebs tiến bộ và có hiệu xuất cao hơn nhiều so với quá trình phân giải yếm khí. Một phân tửglucose khi oxy hoá theo chu trình Krebs cho ra 38-39 ATP (xem bảng 6.2).

(2-3 +6)ATP 6 ATP 24 ATP

(Glucose ------------ > Pyruvat ------------ > AcetylCoA ----------- > Chu trình Krebs)

Năng lượng tự do của phân tử glucose là 2,840 KJ/mol, khi oxy hóa hoàn toàn một glucose tạo ra năng lượng dự trữ 38 ATP x 30,5 KJ/mol = 1,160KJ/mol như vậy hiệu suất là 40%.

Phần năng lượng còn lại 60% là nhiệt toả ra để sưởi ấm cơ thể. Tuy nhiên tuỳ từng lúc, từng mô bào đòi hỏi năng lượng khác nhau mà có cách khai thác năng lượng khác nhau.

5.2. Các con đường thứ cấp của sự oxy hóa glucose.

Ở các mô động vật phần lớn sự tiêu thụ glucose là được dị hóa trong chu trình đường phân thành pyruvate. Hầu hết pyruvate được oxy hóa trong chu trình acid citric. Chức phận chủ yếu của sự trao đổi glucose bởi con đường này là tạo thành ATP. Tuy nhiên còn có những con đường trao đổi khác cho những sản phẩm đặc biệt cần thiết cho tế bào và các con đường này là một phần trao đổi thứ cấp của glucose. Hai con đường như vậy tạo ra pentose phosphate và các acid uronic và ascorbic.

5.2.1. Oxy hoá theo chu trình pentose phosphate (Decarboxy hóa oxy hóa tạo thành pentose phosphate và NADPH).

Con đường pentose phosphate, còn được gọi là con đường phosphogluconate.

Trong nhiều động vật điều đáng chú ý đặc biệt là trong các mô xảy ra sự sinh tổng hợp các acid béo và các Steroid từ các tiền chất nhỏ hơn trong tuyến vú, mô mỡ động vật, vỏtuyến thượng thận và gan. Sự sinh tổng hợp các acid béo đòi hỏi đương lượng khử NADPH2

đối với các liên kết đôi và các nhóm carboxyl của các hợp chất trung gian trong quá trình này.

Chức phận thứ cấp của con đường pentose phosphate là tạo thành các pentose cần thiết, đặc biệt là D-ribose, nó được sử dụng trong sinh tổng hợp acid nucleic (hình 6.39).



Hình 6.39. Chu trình pentose phosphate tạo NADPH và ribose-5-phosphate.



Phản ứng đầu tiên của con đường pentose phosphate là sự loại hydro của glucose-6-phosphate bởi glucose-6-phosphate dehydrogenase thành –6-phosphoglucono lactone, este nội phân tử, nó được thuỷ phân thành acid tự do 6-phosphogluconate bởi lactonase đặc biệt. NADP+ là chất nhận điện tử tạo thành NADPH2. Bước tiếp theo 6-phosphogluconate dehydrogenase hóa và decarboxy hóa 6-phospho gluconate thành dạng ketopentose D-ribulose-5- phosphate, phản ứng tạo thành phân tử NADPH2 thứ hai. Sau đó phosphopentose isomerase biến đổi ribulose –5- phosphate thành đồng phân aldose của nó là D-ribose-5- phosphate (hình 6.39). Trong một số mô, con đường pentose phosphate kết thúc ở điểm này và phản ứng cân bằng như sau:

Glucose-6- phosphate +2NADP +H2O → ribose-5-phosphate +CO2 +2NADPH +2H+

Kết quả là tạo thành NADPH2 để khử các phản ứng sinh tổng hợp và tạo thành ribose-5- phosphate như là tiền chất cho tổng hợp và tạo thành nucleotide.

Trong các mô chủ yếu đòi hỏi NADPH2 nhiều hơn ribose-5- phosphate, các pentose - phosphate được tạo thành từ glucose-6- phosphate trong hàng loạt phản ứng (hình 6.40).

Hình 6. 40. Các phản ứng không oxy hóa của con đường pentose phosphate biến đổi pentose phosphate trở lại thành các hexose phosphate, cho phép các phản ứng oxy hóa (xem hình 6.39) tiếp tục. Các enzyme transaldolase và transketolase được chuyên hóa cho con đường này. Nhiều enzyme khác cũng sử dụng trong con đường đường phân hoặc sựtạo thành glucose (b) sơ đồ đơn giản giới thiệu con đường biến đổi từ 6 pentose (5C) đến 5 hexose (6C).

Đầu tiên, ribulose-5- phosphate được biến đổi thành xylulose-5- phosphate. Sau đó, có sự sắp xếp lại của bộ xương carbon của các hợp chất trung gian phosphate- đường. Sáu đường phosphate 5 carbon được biến đổi thành 5 đường phosphate 6 carbon (hình 6.40b), hoàn thành chu trình và cho phép tiếp tục oxy hóa glucose –6- phosphate với sự tạo thành NADPH2.

Trong phần không oxy hóa của con đường pentosephosphate (hình 6.40a), transketolase, thiamin pyrophosphate phụ thuộc enzyme, xúc tác chuyển mảnh 2 carbon (C-1 và C-2) của xylulose –5- phosphate thành ribose-5- phosphate, tạo thành sản phẩm 7 carbon là



sedoheptulose-7- phosphate; mảnh 3 carbon của xylulose bị loại là glyceraldehyde-3- phosphate. Sau đó transaldolase xúc tác phản ứng tương tự đối với phản ứng aldolase trong đường phân và kết hợp với glyceraldehyde-3- phosphate tạo thành fructose-6- phosphate; loại đi mảnh 4 carbon của sedoheptulose tạo nên rythrose-4- phosphate. Bây giờ transketolase lại hoạt động, tạo thành –6- phosphate và glyceraldehyde-3- phosphate từ erythrose-4- phosphate và xylulose-5- phosphate. Hai phân tử glyceraldehyde-3- phosphate tạo thành bởi 2 tác động qua lại của các phản ứng này có thể biến đổi thành fructose –1,6-diphosphate (hình 6.40b). phức hợp chu trình: 6 pentose phosphate biến đổi trở lại thành 5 hexose phosphate.

Tất cả các phản ứng của phần không oxy hoá của con đường pentose phosphate dễ dàng thuận nghịch, vì vậy cũng dẫn đến sự biến đổi hexosephosphate thành pentosephosphate.

5.2.2. Glucose được biến đổi thành acid glucoronic và acid ascorbic.

Con đường thứ yếu khác đối với biến đổi glucose thành 2 sản phẩm đặc biệt: D-glucoronate, quan trọng trong sự loại độc tố và sự bài tiết của các hợp chất vô cơ bên ngoài và acid L-ascorbic hoặc vitamin C.

Hình 6.41: Các con đường thứ yếu đối với sự trao đổi chất glucose qua UDP- glucuronate.



Trong con đường này (hình 6.41) glucose-1 phosphate được biến đổi đầu tiên thành UDP-glucose bởi phản ứng với UTP. Phần glucose của UDP-glucose được khử hydro tạo thành UDP- glucoronate, một ví dụ khác sử dụng dẫn xuất UDP như là những chất trung gian trong sự biến đổi enzyme của các đường.

UDP – glucoronate là chất cho glucuronosyl sử dụng bởi họ enzyme loại độc tố, nó hoạt động trên nhiều thuốc không phân cực, các độc tố môi trường và các chất sinh ung thư. Sự kết hợp của các phức chất này với glucoronate biến đổi thành rất nhiều dẫn xuất phân cực được loại dễ dàng khỏi máu bởi thận và được bài tiết trong nước tiểu. Ví dụ loại độc tố của 3- hydroxybenzo [α ] pyren, thành phần độc của khói thuốc lá (hình 6.42) hay thuốc giảm đau phenobarbidal, thuốc kháng –AIDS như AZT và dạng hydroxyl hóa của chất sinh ung thưbenzo [α] pyren (3-hydroxybenxo pyren) chịu sự glucuronite hoá được xúc tác bởi UDP-glucorosyl transferase trong gan người. Sự biểu hiện đối với phía thuốc hoặc độc tố làm tăng sự tổng hợp enzyme đặc biệt đối với phía tổng hợp làm tăng sự chống với thuốc hoặc kháng đối với độc tố. UDP-gluconat cũng là tiền chất của các gốc glucoronate của các acid polysaccharide có tính acid như hyaluronate và chondroidin sulphate.

D- glucoronate là chất trung gian trong sự biến đổi của D-glucose thành acid L-ascorbic (hình 6.41). Nó được khử bởi NADPH2 thành đường 6 carbon là acid L-gulonate, rồi được biến đổi thành lactone. Sau đó L-gulonolactone bị khử hydro bởi flavoprotein gulonolactone oxydase thành acid L-ascorbic. Một số loài động vật, kể cả người, chuột lang, khỉ, một sốchim, và một số cá thiếu enzyme gulonolacton oxydase nên không có khả năng tổng hợp acid ascorbic.

Con người không có đủ vitamin C trong thức ăn làm phát triển bệnh hoại huyết (scocbut) do các mô liên kết bị hư hỏng làm chảy máu da, sưng lợi răng v.v.. Hàng trăm năm trước đây thuỷ thủ các đoàn thuyền buôn rất hay bị bệnh này trong những chuyến đi dài ngày do không được ăn hoa quả tươi chứa nhiều vitamin (trong đó có vitamin C). Năm 1753 bác sĩphẫu thuật hải quân James Lind người Scotland đã cho biết cách chữa bệnh hoại huyết (Scocbut) bằng nước cam. Năm 1932 chất chống lại bệnh hoại huyết (Scocbut) là vitamin C đã được tách từ nước chanh và được gọi là acid ascorbic (tiếng Latinh Scorbutus nghĩa là sưng tấy lở loét).

Hình 6.42. Sự loại độc tố 3- hydroxybenzo [α ] pyren(thành phần độc của khói thuốc lá). Sựglucuronide hóa bởi sự chuyển glucuronate thành UDP- glucuronate biến đổi độc tố không phân cực thành phức hợp phân cực dễ dàng bị loại bỏ bởi thận.



5.2.3. Chu trình Glyoxylate

Quá trình biến đổi phosphoenolpyruvate thành pyruvate và pyruvate thành acetyl-CoA là quá trình không đảo ngược vì cả hai đều là quá trình giải phóng năng lượng.

Phosphoenolpyruvate có thể được tổng hợp từ oxaloacetate trong phản ứng ngược được xúc tác bởi cacboxykinase.

Oxalo acetate + GTP phosphoenolpyruvate + CO2 + GDP

Hình 6.43a: Chu trình glyoxylate và quan hệ của nó với chu trình acid citric.

Các nguyên tử carbon từ các phân tử acetate đi vào chu trình acid citric không thể biến đổi trực tiếp thành oxaloacetate vì chúng ra khỏi chu trình dưới dạng 2 phân tử CO2, nên acetate không thể biến đổi ngược về phosphoenolpyruvate để tổng hợp đường glucose.



Ở thực vật và một số vi sinh vật như E.coli và nấm men, acetate có thể có cả 2 vai trò: cung cấp năng lượng và như một nguồn phosphoenolpyruvate cho tổng hợp carbonhydrate. Những sinh vật này có một chu trình glyoxylate biến đổi acetate thành oxaloacetate. Ở những sinh vật này, một số enzyme của chu trình acid citric đồng thời xúc tác cả 2 quá trình (1) oxy hóa acetyl-CoA thành CO2, xảy ra ở hầu hết các mô, và (2) chu trình glyoxylate. Chu trình glyoxylate là biến dạng của chu trình acid citric (hình 6.43a,b).

2 AcetylCoA + NAD+ + 2H2O → Succinate + 2CoA + NADH + H+

Chú ý rằng chu trình glyoxylate bỏ qua 2 phản ứng decarboxyl hóa của chu trình acid citric và 2 phân tử acetyl-CoA đi vào chu trình glyoxylate ở mỗi chu trình nhưng chỉ có một phân tử acetyl-CoA đi vào chu trình acid citric. Ở thực vật, các enzyme của chu trình glyoxylate tạo thành cụm gắn vào màng glyoxysome của một bào quan thường.

Hình 6.43b: Chu trình glyoxylate và quan hệ của nó với chu trình acid citric.



Hình 6.44. Các phản ứng của chu trình glyoxylate (ở glyoxysome) tương ứng với các phản ứng của chu trình acid citric ( ở ty thể), các chất trung gian thông qua phần chất tan giữa các ngăn



Hình 6.45. Quá trình điều hòa hoạt tính isocitratedehydrogenase xác định sự phân bố của isocitrate giữa chu trình glyoxylate và chu trình acid citric. Khi isocitrate dehydrogenase bịmất hoạt tính do quá trình phosphoryl hóa (bởi một protein kinase đặc hiệu), isocitrate đi vào các phản ứng sinh tổng hợp qua chu trình glyoxylate, còn khi enzyme được hoạt hóa nhờquá trình khửcarboxyl hóa (bởi một phosphatease đặc hiệu), isocitrate đi vào chu trình acid citric và kết quả là tạo ATP.



Các enzyme này xúc tác chung cho cả chu trình acid citric và glyoxylate có 2 dạng đồng phân, một đặc hiệu với ty thể và dạng kia đặc hiệu với glyoxysome. Glyoxysome không phải lúc nào cũng có mặt ở mọi mô thực vật mà chúng xuất hiện nhiều nhất ở hạt giàu chất béo trong quá trình nảy mầm, trước khi mầm, cây đủ lớn có thể tự tạo carbonhydrate thông qua quá trình quang hợp. Vì vậy glyoxysome có mặt đủ các enzyme xúc tác quá trình phân giải acid béo dự trữ trong hạt thành acetyl-CoA và biến đổi thành malate qua chu trình glyoxylate. Malate sau đó biến đổi thành malate oxaloacetate và glucose (hình 6.44).

Aspartate mang bộ khung carbon của oxaloacetate từ chu trình acid citric (ở ty thể) tới glyoxysome, nơi nó kết hợp với acetyl-CoA từ sự phân huỷ acid béo. Citrate vì vậy tạo thành isocitrate nhờ aconitase, sau đó phân giaỉ thành succinate nhờ isocitrate lyase. Succinate quay lại ty thể, nơi nó đi vào chu trình acid citric và chuyển thành oxaloacetate có thể lại tới glyoxysome. Glyoxylate được tạo thành phía trong glyoxysome kết hợp với acetyl-CoA đểtạo thành malate đi vào phần chất tan và oxy hóa (nhờ malate dehydrogenase tế bào) thành oxaloacetate, tiền chất của glucose qua quá trình tạo glucose. Bốn con đường khác nhau tham gia vào các quá trình chuyển hóa này: acid béo bị phân huỷ thành acetyl-CoA (ởglyoxysome), chu trình glyoxylate (ở glyoxysome), chu trình acid citric (ở ty thể) và quá trình tạo glucose (ở phần chất tan). Sự tham gia của các chất trung gian cần các con đường điều hòa và phối hợp này. Isocitrate là một chất trung gian rất quan trọng, nằm ở nhánh giữa chu trình glyoxylate và chu trình acid citric (hình 6.45).

6. Sự điều hoà quá trình trao đổi glucid

Trong cơ thể động vật có hai hệ thống có tác dụng điều hoà quá trình trao đổi vật chất đó là thần kinh và hormone. Trao đổi vật chất là một quá trình thống nhất, những biến đổi trong quá trình trao đổi glucid đều ảnh hưởng và tác động đến quá trình trao đổi chất nói chung như trao đổi protein, trao đổi lipid... và ngược lại. Tuy vậy mỗi quá trình trao đổi cũng có nét đặc thù riêng của nó. Đối với trao đổi đường, máu là cầu thăng bằng hàm lượng đường giữa gan và các cơ quan. Hàm lượng đường trong máu thường ổn định ở các loài gia súc, điều này có một ý nghĩa quan trọng đối với việc duy trì áp suất thẩm thấu của máu với mô bào. Ởmột cơ thể có trao đổi glucid bình thường thì hàm lượng đường trong máu dao động trong một phạm vi nhất định gọi là hằng số hoá sinh đặc thù như ở người là 80-120mg%; Lợn, chó, mèo là 80-120mg%; gia cầm 150-300 mg%; trâu bò 45-70mg%; ngựa 70-150mg%. Khi động vật ăn nhiều đường, số thừa sẽ biến thành glycogen dự trữ ở gan, ở cơ, khi các mô bào cần tới thì loại đường này lại được huy động để sử dụng. Có nghĩa là nếu hàm lượng đường vượt quá khoảng dao động tối thiểu, tối đa đó thì thần kinh và thể dịch sẽ điều hoà làm cho nó vềkhoảng dao động đó.

6.1.Về thần kinh

Não của động vật chủ yếu dùng glucose làm nguồn năng lượng. Trong điều kiện bình thường 1/4 lượng đường dùng cho não, bất cứ một sự giảm hàm lượng đường nào trong máu đều ảnh hưởng ngay tới não, não rất nhạy cảm với hàm lượng đường trong máu. Thường các



trạng thái hưng phấn làm hàm lượng đường trong máu tăng. Ở đáy buồng não 4 có một trung tâm thần kinh cảm thụ được hàm lượng đường trong máu. Từ đó khi hàm lượng đường trong máu thay đổi nó sẽ phát tín hiệu đến các bộ phận điều chỉnh, trước hết là tới vùng dưới đồi (hypothalamus) rồi từ đó tín hiệu xuống tuyến yên, từ tuyến yên sẽ đi tới hai đối tượng tác động chính là tuyến thượng thận và tuyến tuỵ ( đảo Landexhan).

6.2.Về thể dịch

Tuyến tuỵ ở đảo Landexhan có tế bào β sản sinh ra Insuline và tế bào α sản sinh ra glucagon, đây là hai hormone của tuyến tuỵ điều hoà hàm lượng đường trong máu.

Insuline tiết ra hàng ngày khoảng 10-25mg, nhiều gấp 5 lần nhu cầu, khi mới tiết ra dưới dạng proInsuline chưa có hoạt tính. ProInsuline gồm 3 chuỗi: Chuỗi A gồm 21 acid amin, chuỗi B gồm 30 acid amin, giữa 2 chuỗi này có 2 cầu nối disulfid. Ở chuỗi A có 1 cầu disulfid. Giữa chuỗi A và B là chuỗi C. Chuỗi C gồm có 30 acid amin, nó được nối với chuỗi A và B bởi 2 cặp acid amin kiềm tính (arg.arg và arg.Lyz). Khi có nhu cầu về Insuline nó được enzyme peptinase cắt bỏ chuỗi C và tạo thành Insuline có hoạt tính. Insuline ở những động vật khác nhau thì khác nhau chủ yếu ở chuỗi A và tập trung vào các acid amin 8,9,10, 12 và 14, còn chuỗi B hầu như giống nhau, khác nhau chủ yếu ở acid amin 30. Do đó có thể dùng khác loài song hiệu quả không cao. Khi tiết ra máu Insuline được vận chuyển với 1 protein và một phần với màng của hồng cầu.

Sau khi hoạt động xong Insuline được phân huỷ bởi Insulinease, enzyme này có nhiều ởgan. Tác dụng của Insuline là làm giảm hàm lượng đường trong máu khi hàm lượng này vượt quá mức dao động tối đa.

Về cơ chế tác dụng của Insuline: người ta thấy đây là loại hormone có tác dụng rất rộng rãi, đa dạng, nó làm cho tế bào lipid, cơ tăng cường sự hấp thu đường để tổng hợp lipid, glycogen. Khi có mặt của Insuline thì các quá trình vận chuyển đường qua màng tế bào được tăng cường và tăng cường quá trình phosphoryl hoá đường, từ đó glucose đi vào các con đường tổng hợp. Một enzyme chịu tác động rõ rệt nhất của Insuline là hexokinase làm hoạt hoá đường, thông qua con đường này glucose đi vào quá trình phân giải tạo năng lượng cho tếbào của cơ thể. Mặt khác Insuline có tác dụng ngăn cản sự hoạt động của nhóm corticosteroid (hormone sinh mới glucose), đồng thời nó ức chế enzyme adenylatcyclase, ngăn cản sựchuyển hoá glycogen thành glucose. Với những tác động trên hàm lượng đường trong máu sẽgiảm.

Glucogon là một chuỗi peptide 29 acid amin. do tế bào α của đảo Landexhan tiết ra, nó là một polipeptide gồm 29 gốc acid amin. Khi mới tiết ra ở dạng proglucagon không có hoạt tính có thêm 8 gốc acid amin ở đầu COOH, tức là có 37 acid amin. Trước khi đổ vào máu nó tự cắt bỏ 8 gốc acid amin này và trở thành glucagon có hoạt tính.

Glucagon có tác động đối kháng với Insuline làm tăng hàm lượng đường trong máu. Cơchế tác động của nó giống như Adrenalin là hoạt hoá hệ thống enzyme protein-kinase thông qua 3'-5'-AMP vòng, hệ thống enzyme này có tác dụng phân giải glycogen thành glucose. Tuy nhiên nó chỉ phát huy tác dụng ở gan, không có tác dụng ở cơ.

Tuyến thượng thận: Tiết ra Adrenalin, nor Adrenalin và corticosteroid.



Adrenalin và Nor adrenalin: Khi hàm lượng glucose trong máu giảm xuống thì tín hiệu được truyền đến miền tuỷ thượng thận, ở đây tiết ra Adrenalin và Nor adrenalin, chúng có tác dụng làm tăng hàm lượng đường trong máu.

Cơ chế tác động của chúng là hoạt hoá hệ thống enzyme protein kinase thông qua 3'-5'-AMP vòng, nhờ tác động lên enzyme adenylatcyclase nằm tại điểm cảm thụ của chúng trên màng tế bào (xem phần cơ chế tác dụng của hormone). Đặc điểm của chúng là với liều rất nhỏ(hàm lượng trong máu khoảng 10mμ) nhưng hiệu quả tác dụng rất lớn, chúng phát huy tác dụng cả ở gan và cơ. Ở cơ quá trình phân giải glycogen chỉ đến glucose-6P, glucose-6P sẽ đi vào con đường oxy hoá ngay, không thành glucose. Hoạt lực của Adrenalin cao hơn so với Nor adrenalin. Ngoài ra Adrenalin còn có tác dụng làm tăng cường co bóp của tim, làm tăng tuần hoàn máu. Tất cả các hiện tượng hưng phấn, hồi hộp, stress đều gây tiết Adrenalin và làm tăng hàm lượng đường trong máu.

Nhóm corticosteroid do miền vỏ thượng thận tiết ra, đây là nhóm hormone sinh mới glucose (glucose được sinh ra từ protein, lipid). Dưới tác dụng của nhóm hormone này quá trình phân giải acid amin được đẩy mạnh, biến acid amin thành các cetoacid, từ các cetoacid này chuyển hoá thành đường

Protease Oxydase

Protein --------- > Acid amin -------- > NH3 + ceto acid (pyruvic, oxaloaxetic, α-ceto glutamic) -------- > glucose.

Corticosteroid có tác dụng hoạt hoá các enzyme ở trên.

Ngoài ra một số hormone như Thyroxin của tuyến giáp trạng làm tăng cường quá trình oxy hoá từ đó cùng làm giảm hàm lượng đường trong máu.

6.3. Các enzyme điều hoà hoạt động như những van điều chỉnh trao đổi đường.

Quá trình dị hóa saccharide cung cấp ATP và các tiền chất cho các quá trình sinh tổng hợp khác nhau. Đối với các tế bào điều quan trọng nhất là làm sao giữ ổn định nồng độ ATP không thay đổi. Điều này đạt được nhờ sự điều hoà của một số enzyme chìa khóa chịu trách nhiệm xúc tác một số phản ứng ở các giai đoạn quan trọng của quá trình dị hóa. Trong quá trình đường phân ở mô cơ và gan có 4 enzyme sau đây đóng vai trò điều hoà: Glycogen phosphorylase, hexokinase, phosphofructokinase và piruvate kinase.

Để duy trì sự tồn tại của mình, cơ thể sống luôn phải duy trì trạng thái cân bằng hoạt động của quá trình chuyển hóa trao đổi chất. Do đó khi xuất hiện biến động làm thay đổi trạng thái trên các cơ chế điều hoà hoạt động sống phải điều chỉnh sao cho trạng thái nội môi của cơ thể sống vẫn được duy trì. Vì ATP giữ vai trò then chốt trong tất cả các chu trình tiến hóa trao đổi chất của cơ thể nên trong quá trình tiến hoá và chọn lọc tự nhiên đã xuất hiện một số enzyme điều hoà và duy trì sự ổn định hàm lượng ATP.

Trong thực tế dòng vận chuyển các chất trao đổi phụthuộc vào hoạt độ của enzyme xúc tác các phản ứng trao đổi chất. Trong số các enzyme xúc tác toàn bộ một chu trình biến đổi chất nào đó (như đường phân chẳng hạn) bao giờ



cũng có một số lớn enzyme hoạt động ở trạng thái cân bằng. Các enzyme này có hoạt tính rất cao, có thể biến đổi cơ chất vừa được chuyển đến thành sản phẩm của phản ứng, nghĩa là tốc độ dòng trao đổi chất ở giai đoạn phản ứng biến đổi chỉ bị giới hạn bởi cơ chất và được xác định bởi hàm lượng cơ chất ở thời điểm nói trên. Tuy nhiên không phải toàn bộ các phản ứng đều được xúc tác như vậy. Sự thực trong bất cứ chu trình biến đổi vật chất nào trong cơ thểsống cũng có một số phản ứng hoạt động ở trạng thái rất xa trạng thái cân bằng. Ví dụ, trong quá trình đường phân hằng số cân bằng K’eq của phản ứng do enzyme phosphofructose kinase 1 xúc tác có giá trị khoảng 250. Trong khi tỷ lệ khối lượng tác động (fructose-1,6-diphosphate [ADP]/ [fructose–6-phossphat][ATP]) của phản ứng lại rất nhỏ khoảng 0,04.

Sở dĩ phản ứng trên ở rất xa vị trí cân bằng vì tốc độ biến đổi fructose-6-phosphate thành fructose-1,6-diphosphate bị giới hạn bởi hoạt tính của enzyme xúc tác. Do đó dù có gia tăng dòng fructose-6-phosphate do các phản ứng trước đó tạo ra, thì tốc độ của phản ứng trên vẫn không thay đổi đáng kể. Điều này có nghĩa là enzyme phosphofructokinase-1 hoạt động như van điều khiển toàn bộ dòng vận chuyển trao đổi chất của quá trình đường phân. Theo quy luật chung thì trong bất kì chu trình chuyển hóa nào cũng phải có ít nhất 1 phản ứng giai đoạn được xúc tác bởi enzyme điều hoà, có hoạt tính xúc tác chủ yếu, hoạt động ở trạng thái cân bằng. Phản ứng này được gọi là phản ứng bị giới hạn bởi enzyme khác với các phản ứng bình thường khác bị giới hạn bởi cơ chất và giai đoạn phản ứng này chính là giai đoạn giới hạn tốc độ của toàn bộ quá trình. Thông thường các phản ứng giới hạn đều là các phản ứng phát nhiệt chỉ xảy ra theo một chiều. Chúng thường được xúc tác bởi enzyme điều hoà dị lập thể (allosteric enzyme) và thường ở phản ứng đầu tiên của liên kết chuyển hóa. Thí dụ, trong quá trình đường phân glucose-6-phossphate có thể chuyển hóa theo đường phân do enzyme phosphofructokinase-1 xúc tác hoặc chuyển hóa theo chu trình pentose phosphate do enzyme glucose-6-phospshate dehydrogenase xúc tác và theo quy luật cả 2 enzyme này đều là enzyme điều hoà.

Về tổng thể, hai quá trình có xu thế trái ngược nhau là quá trình dị hóa và đồng hóa lại luôn tồn tại ở trạng thái cân bằng thống nhất và hợp lí. Trong đó rất nhiều phản ứng của cảhai quá trình được xúc tác bởi cùng một enzyme. Tuy nhiên để các hoạt động sống được duy trì ổn định, về nguyên tắc hai quá trình trên phải có định hướng rõ ràng. Do đó trong mỗi quá trình phải có ít nhất một phản ứng giai đoạn được xúc tác bởi hai enzyme khác nhau. Các enzyme này chính là những enzyme điều hoà hướng phản ứng của từng quá trình và phần lớn các phản ứng do chúng xúc tác là phản ứng toả nhiệt chỉ xảy ra 1 chiều và chúng đều là các phản ứng bị giới hạn bởi enzyme chứ không phải cơ chất.

7. Một số bệnh do rối loạn trao đổi đường

7.1. Bệnh cao đường huyết (Hyper glycemia):

Khi mức glucose của máu vượt quá mức tối đa thì cơ thể gặp trạng thái cao đường huyết. Trạng thái này thường dẫn tới hiện tượng bài tiết đường theo nước tiểu, gọi là chứng đường niệu (glucoguria). Hàm lượng đường huyết cao có 2 nguyên nhân:

Do thức ăn: Thức ăn có nhiều đường, hiện tượng này không nguy hiểm. Ở đa số động vật và người khi hàm lượng đường trong máu tới 160mg% thì khả năng hấp thu đường của gan bị hết, tế bào thận (ở ống lượn xa) cũng không đủ sức để thẩm thấu trở lại glucose (đã đạt tới mol độ thẩm thấu), do đó nước tiểu xuất hiện đường. Hiện tượng đường niệu thực phẩm thường chóng qua khỏi.



Do bệnh đường niệu (Dia betes mellitus): Đây là hội chứng phức tạp của trao đổi đường. Nguyên nhân trực tiếp là do thiếu Insuline. Trong cơ thể động vật giữa các hormone có sự cân bằng tác động với nhau, khi thiếu hormone này thì hormone đối kháng sẽ tác động một mình, do đó làm mất cân bằng trao đổi chất. Khi thiếu Insuline làm hàm lượng đường trong máu có thể đạt tới 300-500mg% và trong một lít nước tiểu có thể có từ 8-10g đường. Khi thiếu Insuline sẽ làm giảm độ thẩm thấu glucose của tế bào, làm yếu hoạt tính của enzyme hexokinase, do đó làm cho sự tiêu thụ glucose của tế bào bị hạn chế (trừ hồng cầu và tế bào thần kinh là không chịu ảnh hưởng của Insuline). Như vậy trong máu thừa đường mà tếbào lại thiếu năng lượng, tế bào phải dùng lipid làm nguyên liệu, lipid dùng nhiều gây nên thểceton huyết, ceton niệu, điều này càng làm cho sự chuyển hoá bị rối loạn. Mặt khác thiếu Insuline làm cho quá trình chuyển hoá acid amin. thành glucose càng đẩy mạnh và cơ thể bịgầy mòn nhanh chóng. Bệnh thiếu Insuline thường là chức năng của tuyến tuỵ bị hư như bịviêm...

7.2. Bệnh thấp đường huyết (Hypo glycemia)

Bệnh thấp đường huyết là trường hợp lượng đường trong máu nằm dưới mức tối thiểu. Hiện tượng này thường gặp trong trường hợp thiểu năng tuyến thượng thận, gây thiếu Adrenalin hoặc ở một số động vật chửa kì cuối, lợn sơ sinh.

7.3. Rối loạn trao đổi đường do thiếu vitamin

Trao đổi glucid là một quá trình phức tạp, có rất nhiều enzyme tham gia, đặc biệt là các enzyme khử carboxyl đối với các cetoacid như pyruvic, α-cetoglutamic... các phản ứng này đều cần enzyme có nhóm ghép là TPP là dẫn xuất của VTM B1, do vậy khi thiếu VTM B1

các phản ứng trên sẽ không thực hiện được, acid pyruvic không được khử bị ứ đọng lại nó phân ly ảnh hưởng tới pH của tế bào dẫn đến hiện tượng tích nước gây nên phù (bệnh Beriberi). Acetyl CoA không được hình thành gây thiếu Acetylcolin là chất dẫn truyền xung động ở xinap thần kinh gây nên viêm thần kinh, đau đầu...

CHƯƠNG VI: GLUCID VÀ TRAO ĐỔI GLUCID Khái niệm và vai trò của glucid. Sự tiêu hoá và hấp thu tinh bột. Tiêu hoá chất

sơ ở loài nhai lại. Sự tổng hợp, phân giải glycogen. Sự chuyển hoá trung gian của glucose. Sự oxy hoá glucose trong điều kiện có đủ oxy. Sự điều hoà trao đổi glucid.Một số bệnh do rối loạn trong trao đổi glucid.

Câu 1: Quá trình tổng hợp Glycogen? Những hormon điều khiển quá trình này? Câu 2: Quá trình phân giải Glycogen? Những hormon điều khiển quá trình này? Câu 3:Quá trình đường phân ở mô bào động vật? ý nghĩa của quá trình này? Sự giống và khác nhau giữa quá trình đường phân và quá trình lên men. Câu 4: Vòng Cori và ý nghĩa của nó? Câu 5: Sự chuyển hoá của glucose trong điều kiện có đủ ôxy? Quá trình chuyển hoá từaxit pyruvic thành acetylCoA Câu 6: Vòng Krebs và vai trò sinh học của nó trong trao đổi vật chất? Câu 7: Một số bệnh do rối loạn trao đổi đường?



CHƯƠNG VII

LIPID VÀ SỰ CHUYỂN HOÁ LIPID

1. Đại cương về lipid

1.1. Khái niệm về lipid

Lipid là những hợp chất hữu cơ phổ biến trong tự nhiên cũng như trong cơ thể động vật, thực vật và vi sinh vật. Lipid có đặc tính không hoà tan trong nước, chỉ hoà tan trong các dung môi hữu cơ như cồn, ete, cloroform, benzen, aceton v.v.. Không phải mọi lipid đều hoà tan như nhau trong tất cả các dung môi nói trên mà mỗi lipid hoà tan trong dung môi tương ứng của mình, nhờ đặc tính này người ta có thể phân tích riêng từng loại.

Tên gọi lipid bắt nguồn từ chữ Hy lạp lipos là mỡ dùng để chỉ chung các loại lipid, dầu và các chất béo giống mỡ ở động vật và dầu ở thực vật. Về mặt hoá học lipid là những este giữa rượu và acid béo, điển hình là chất Triacylglycerol.

CH2- O – CO – R1

⏐⏐⏐⏐

CH- O – CO – R2

⏐⏐⏐⏐

CH2- O – CO – R3

Tuỳ theo thành phần các acid béo và rượu khác nhau mà có các lipid khác nhau, ở thực vật và vi sinh vật sự phong phú về các acid béo thường cao hơn ở động vật có vú

Một số acid béo thường gặp:

Tên gọi Công thức Nơi có nhiều

acid butyric

acid caproic

acid caprylic

acid capric

acid lauric

acid myristic

acid palmidic

acid stecaric

acid arachidic

CH3(CH2)2COOH

CH3(CH2)4COOH

CH3(CH2)6COOH

CH3(CH2)8COOH

CH3(CH2)10COOH

CH3(CH2)12COOH

CH3(CH2)14COOH

CH3(CH2)16COOH

CH3(CH2)18COOH

Lipid sữa (bơ)

Bơ, dừa

Bơ, dừa, não cá

Dừa, não cá voi

Dầu thực vật

Lipid động vật, dầu thực vật

-nt-

-nt-

Dầu lạc

Ngoài rượu và các acid béo ở các lipid phức tạp (lipoid) trong phân tử của chúng còn chứa các dẫn xuất có phospho, nitơ, sulfur v.v. như nhóm phosphateide, xerebrozid. Đây là hai nhóm lipid có vai trò quan trọng.



Phosphateide có nhiều trong não, dây thần kinh và các cơ quan như gan, tim, thận và một số vật phẩm như lòng đỏ trứng, sữa. Các đại diện của phosphateide thường ở dạng liên kết với protein trong lipoprotein của vách tế bào và của nội khí quản ở tế bào chất.

Xerebrozid là nhóm lipoid không chứa acid phosphoric, có nhiều trong não. Thành phần của nó ngoài rượu, acid béo còn có amin, đường galactose và lưu huỳnh.

Ở thực vật khả năng tự tổng hợp các acid béo thường phong phú hơn ở động vật, nhất là một số acid béo giữ vai trò quan trọng như:

Acid linoleic (18C có 2 liên kết kép) C18H32O2

CH3 – (CH2)4 – CH = CH – CH2 – CH = CH – (CH2)7 – COOH

Acid linolenic (18C có 3 liên kết kép) C18H30O2

CH3 – CH2 – CH = CH – CH2 – CH = CH – CH2 – CH = CH- (CH2) 7 - COOH

Acid arachidonic (20C có 4 liên kết kép) C20H32O2

CH3–(CH2)4–CH = CH– CH2– CH=CH– CH2– CH=CH–CH2–CH=CH-(CH2)3– COOH

Những loại acid béo này đối với cơ thể động vật gọi là “lipid cần thiết”, và còn được gọi là vitamin F, chúng có tác dụng quan trọng trong quá trình sinh trưởng và phát triển của mô bào, giúp cho quá trình phân bào.

1.2. Vai trò của lipid

Lipid đối với cơ thể sinh vật có nhiều ý nghĩa quan trọng, nó có các vai trò sau:

Lipid là chất dự trữ năng lượng tiết kiệm thể tích nhất, khi ôxi hoá 1 g lipid cơ thể thu được 9,3 kilo calo. Đem so với lượng calo của 1gam đường hoặc protein (4,1 kilo calo/1g) thì lượng calo sản ra của lipid nhiều gấp đôi. Nhu cầu năng lượng hàng ngày của động vật do lipid cung cấp khoảng 30% đến 40% hoặc hơn nữa tuỳ loài động vật và trạng thái sinh lý của cơ thể.

Chức năng quan trọng nhất của lipid là cấu tạo màng sinh học (màng tế bào, màng ti lạp thể v.v.). Trong màng sinh học, lipid ở trạng thái liên kết với protein tạo thành hợp chất lipoprotein. Chính nhờ tính chất của hợp chất này đã tạo cho màng sinh học có được tính thẩm thấu chọn lọc, tính cách điện. Đó là những thuộc tính hết sức quan trọng của màng tếbào, màng các cơ quan tử của nó.

Lipid dưới da của động vật có tác dụng gối đệm và giữ ấm cho cơ thể nhờ tính êm, dẫn nhiệt kém.

Lipid là dung môi cho nhiều vitamin quan trọng như vitamin A,E,D,K (nhóm vitamin hoà tan trong lipid) vì thế nếu khẩu phần thiếu lipid lâu ngày thì động vật dễ mắc bệnh thiếu các vitamin kể trên.

Đối với loài động vật ngủ đông, động vật di cư, các loài sâu kén, lipid còn là nguồn cung cấp nước, vì khi oxy hoá 100g lipid có 107g nước sinh ra.

Việc nghiên cứu sự chuyển hoá lipid sẽ cung cấp cho ta những hiểu biết về quá trình vỗbéo gia súc, quá trình cải tạo làm tăng hàm lượng bơ trong sữa, quá trình tích luỹ dầu ở thực vật v.v. Đồng thời những hiểu biết này cũng giải thích được các trạng thái bệnh lý như ceton-huyết, ceton-niệu, gan nhiễm mỡ v.v. ở gia súc.



2. Một số dặc điẻm về tiêu hoá, hấp thu, chuyển vận và dự trữ lipid ở động vật.

2.1. Sự tiêu hoá lipid.

Do đặc tính không hoà tan trong nước, mà quá trình tiêu hoá lipid lại có bản chất là quá trình thuỷ phân, enzyme thực hiện quá trình này là enzyme esterase (lipase) nên sự tiêu hoá và hấp thu lipid có một số nét đặc thù riêng. Muốn cho enzyme phân giải được thì lipid phải ởtrạng thái “nhũ tương” hoá, tức là ở trạng thái dung dịch “giả”.

Ở miệng: không có enzyme phân giải lipid, ở đây lipid chỉ chịu tác dụng cơ học do quá trình nhai, nhào trộn thức ăn.

Ở dạ dày: đối với động vật bú mẹ (bê, nghé, lợn con v.v.) trong dịch dạ dày có chứa enzyme lipase, nhưng hoạt lực yếu do ảnh hưởng của pH thấp, tuy nhiên do thức ăn là sữa mẹ, lipid ở dạng nhũ tương nên quá trình phân giải lipid ở đây khá cao. Ở động vật trưởng thành hầu như ở dạ dày không có quá trình thuỷ phân lipid.

Ở ruột non: đây là nơi tiêu hoá chính các chất lipid, vì ở đây có đủ các yếu tố để tiến hành quá trình này. Lipid muốn được tiêu hoá phải được nhũ tương hoá, thực chất của quá trình nhũ tương hoá là biến lipid thành dung dịch “giả” (giả hoà tan) để làm tăng diện tích tiếp xúc của lipid với enzyme lipase. Quá trình nhũ tương hoá lipid ở ruột non nhờ một loạt các yếu tố sau:

Sự nhu động của ruột cộng với trạng thái xốp của thức ăn do khí CO2 sinh ra trong quá trình trung hoà HCL của dịch vị bởi các bicarbonat của dịch ruột.

HCl + NaHCO3-----> NaCl + H2CO3 ----> CO2 + H2O



Các acid mật bao gồm: acid cholic, acid 7 Desoxycholic, acid lidocholic, acid kenodesoxycholic.

OH CH3

CH3 CH CH3 CH2 – CH2 – COOH

HO OH

Acid cholic

OH CH3


HO

Acid 7 desoxycholic

CH3


HO

Acid litocholic

CH3


HO OH

Acid kenodesoxycholic

Các acid mật được hình thành từ cholesterol, quá trình này diễn ra ở tế bào gan, sau đó được tiết ra ở ống mật rồi đổ vào túi mật. Trước khi đổ vào ruột non, nó được liên kết với glycine và taurin tạo thành acid glycocholic và acid taurocholic.



Các hợp chất này có tính phân cực và hoạt tính bề mặt, do đó dưới tác dụng nhu động của ruột, lipid bị vỡ thành các hạt nhỏ, các hạt lipid nhỏ này được phủ bởi lớp acid mật và lớp vỏ thuỷ hoá nên không thể kết hợp với nhau được nữa. Quá trình này được tiếp tục, lipid bị vỡthành các hạt nhỏ li ti, đó là dạng nhũ tương, tạo điều kiện cho enzyme lipase hoạt động.

Ngoài tác dụng nhũ tương hoá lipid, acid mật còn có vai trò hoạt hoá enzyme lipase và cần cho quá trình hấp thu acid béo và lipid qua màng tế bào ruột.

Enzyme lipase ở tá tràng có hai nguồn gốc: lipase do tuyến tuỵ tiết ra là chủ yếu và lipase do niêm mạc ruột non tiết ra. Lipase khi mới tiết ra còn ở dạng zymogen, sau khi gặp acid mật mới chuyển sang trạng thái hoạt hoá. Dưới tác dụng của lipase, lipid được phân giải thành glycerine và các acid béo theo phản ứng sau:

CH2- O – CO – R1 + 3H2O CH2 – OH R1 – COOH

⏐ ----------> ⏐

CH2- O – CO – R2 Lipase CH – OH + R2 – COOH

⏐ ⏐

CH2- O – CO – R3 CH2 – OH R3 – COOH

Lipid Glycerine Các acid béo

Quá trình phân giải lipid với mức độ khác nhau, nên các sản phẩm tạo ra có thể là diglyxeride, monoglyceride, các acid béo và glycerine.



CH2-O–CO–R1

⏐

CH2-O–CO–R2 →

⏐

CH2-O–CO–R3

Triglyxeride

CH2- OH

⏐ CH - O - CO - R2 →

⏐

CH2-O–CO–R3

Diglyxeride

CH2-OH

⏐

CH2-O–CO–R2+→

⏐

CH2-OH

Monoglyxeride

CH2- OH

⏐

CH- OH

⏐

CH2- OH

Glycerine

ThËm chÝ cßn cã c¶ nh÷ng h¹t lipid nhá 1/100μ. TÊt c¶ nh÷ng s¶n phÈm nµy ®Òu ®−îc hÊp thu qua v¸ch ruét.

2.2. Sù hÊp thu, dù tr÷ vµ vËn chuyÓn lipid

§èi víi glycerine v× tÝnh hoµ tan trong n−íc nªn dÔ dµng ®−îc hÊp thu vµo tÕ bµo niªm m¹c ruét.

Đối với các acid béo không hoà tan trong nước, nên muốn được hấp thu nó phải được liên kết với acid mật tạo thành phức chất gọi là “ acid choleic” hoà tan và được hấp thu qua tếbào vách ruột hoặc thụ động hoặc theo nguyên tắc ẩm bào. Sự hấp thu theo nguyên tắc ẩm bào là chủ yếu.

Sau khi vào tế bào vách ruột, acid mật tách khỏi acid béo. Acid mật đi vào hệ tĩnh mạch trở về gan. Ở tế bào vách ruột, acid béo có thể kết hợp với glycerine tái tạo thành lipid. 70-80% lipid tái tạo này đi vào ống lâm ba dưới dạng những hạt to nhỏ khác nhau có tên là “Chylomicron”, nó có một lớp vỏ protein, trong là các acid béo, triglycerid, cholesterol… Đây là dạng hoà tan trong nước nên dễ vận chuyển ở dịch lâm ba và máu.

Những sản phẩm trên đi qua tế bào vách ruột để vào ống lâm ba, cũng theo hình thức ẩm bào. Một phần rất nhỏ (10-15%) acid béo phân tử nhỏ và lipid đi vào tĩnh mạch.

Từ ống lâm ba cụt các sản phẩm trên đi theo đường lâm ba lên lâm ba ngực. Từ đó đổvào hệ tuần hoàn (hệ tĩnh mạch) về gan và từ gan đi tới các mô mỡ. Sau đó tuỳ theo nhu cầu về năng lượng, lipid lại được đưa tới các cơ quan cần oxy hoá hoặc được tích luỹ lại thành mỡdự trữ. Bằng phương pháp nguyên tử đánh dấu, người ta thấy rằng bất cứ loại lipid nào trước khi đem sử dụng vào các nhu cầu của cơ thể đều trải qua giai đoạn tích luỹ khoảng 3-5 ngày. Qua đó ta thấy mô mỡ không phải là loại mô tĩnh tại mà ngược lại nó luôn thay đổi.

Từ mô mỡ, acid béo và glycerine được giải phóng nhờ enzyme lipase đặc thù của mô. Đáng chú ý là loại enzyme lipase này chịu ảnh hưởng tác động điều tiết của nhiều loại hormone. Các acid béo và glycerine từ mô mỡ được đưa vào máu, vận chuyển dưới dạng liên kết với albumin và một phần với β-globuline tới các mô bào cần sử dụng (dạng phức hợp có tỷ trọng cao và tỷ trọng thấp ( HDLP và LDLP). Cơ quan sử dụng acid béo nhiều nhất là gan và một phần là cơ tim.

2.3. Vai trò của gan động vật trong chuyển hoá lipid:

Trong quá trình chuyển hoá lipid gan của động vật giữ một vai trò hết sức quan trọng. Gan là cơ quan sản sinh ra các acid mật, là yếu tố nhũ tương hoá mỡ và hoạt hoá lipase. Vì vậy, khi quá trình tiết mật kém, sự tiêu hoá và hấp thu lipid sẽ bị đình trệ. Lipid không được



tiêu hoá sẽ theo phân ra ngoài. Acid mật còn giữ vai trò trong quá trình hấp thu acid béo, nên thiếu acid mật sẽ ảnh hưởng tới quá trình này.

Ngoài việc sản sinh ra các acid mật giúp cho quá trình tiêu hoá và hấp thu lipid, gan còn là cơ quan chuyển hoá lipid chủ yếu của cơ thể động vật. Hầu hết các mô bào của cơ thểđộng vật đều có khả năng dùng lipid vào nhu cầu năng lượng, nhưng chủ yếu dưới dạng các sản phẩm của lipid đã được chế biến ở gan.

3. Sự phân giải triglyceride

Trong điều kiện trao đổi chất bình thường, cơ thể động vật sử dụng 30-40% năng lượng cung cấp từ lipid còn 60-70% do glucose. Tuy nhiên, do dự trữ glucid ở mô không lớn, nên trong những trường hợp như khi đói, khi lao động căng thẳng hoặc một vài trạng thái sinh lý đặc thù như ở động vật ngủ đông, chim cá di cư theo mùa v.v. thì chủ yếu dùng năng lượng từlipid. Thương số hô hấp cho phân hoá lipid tương đối thấp, vì quá trình này đòi hỏi nhiều oxy.

RQ = CO2 : O2 = 0,71

Hệ thống enzyme chuyển hoá lipid ở gan của động vật khá cao. Hàng ngày có một lượng lipid nhất định được chuyển từ các mô dự trữ đưa về gan và được xơ chế ở gan trước khi đưa đi các mô bào khác sử dụng. Đặc biệt khi cơ thể thiếu glucid (có thể do dinh dưỡng, do trạng thái sinh lý hoặc bệnh lý v.v.) thì lượng lipid ở gan tăng lên rõ rệt. Nếu tế bào gan không oxy hoá tốt do các nguyên nhân bệnh lý, lipid sẽ ứ đọng ở gan gây tình trạng gan nhiễm mỡ.

Từ mô mỡ, acid béo và glycerine được giải phóng nhờ tác dụng của enzyme lipase đặc thù của mô. Glycerine được đưa tới các mô bào sử dụng ngay, còn các acid béo được đưa vềgan để xơ chế trước khi đi tới các mô để sử dụng. Quá trình phân giải đó như sau:

3.1. Sự chuyển hoá trung gian của glycerol

Glycerine là sản phẩm rất dễ chuyển hoá trong cơ thể, nó chuyển thành glycerine aldehydeyd theo xơ đồ phản ứng sau:

Glycerine Glycerophosphate Phosphoglycerine aldehyt

Phospho - glycerine aldehyt đi vào con đường đường phân.

3.2. Sự chuyển hoá của acid béo

Ở gan, hệ thống enzyme oxy hoá acid béo hoạt động rất mạnh. Một acid béo muốn được oxi hoá phải trải qua một số bước sau:

3.2.1. Hoạt hoá acid béo: Acid béo vào tế bào gan, ở tế bào chất nó được hoạt hoá bởi hệ thống enzyme Acyl-CoA-Syntetase hoạt hoá gồm 2 bước:



AMP được giải phóng từ phản ứng (2) sẽ được phosphoryl hoá trở lại thành ADP dưới tác dụng của Adenylate Kinase:

2ADPAMP + ATP

Vậy thực chất quá trình hoạt hoá một phân tử acid béo tự do đã sử dụng 2ATP.

Phản ứng tổng quát có thể viết:

R COOH + 2ATP + CoASH AcylCoA sylthetaseAcylCoA PP+ 2ADP +

Enzyme AcylCoA synthetase còn gọi là thiokinase có nhiều ở màng ngoài ty thể và hệthống lưới nội bào. Có nhiều loại acylCoA synthetase đặc hiệu với các acid béo liên kết ngắn, trung bình và dài. Quá trình này được thực hiện ở ngoài bào tương.

3.2.2. Vận chuyển acid béo vào trong ty thể.

Các acid béo liên kết ngắn (4-10C) qua màng ty thể dễ dàng. Nhưng các acid béo liên kết dài (từ 12 C trở lên) được vận chuyển qua màng ty thể nhờ hệ thống Carnitin do enzyme Carnitin acyl transferase (CAT) thực hiện.

Carnitin là một amin bậc bốn mang một chức alcol bậc 2, có nhiều trong cơ và gan. Carnitin có thể ester hoá với acid béo nhờ sự xúc tác của Carnitin acyl transferase I có trong màng ngoài ty thể tạo thành Acyl carnitin và giải phóng CoASH.



Bước tiếp theo, gốc acyl trong Acyl carnitin được chuyể đến CoenzymeA có ở bên trong chất nền của ty thể, ở đây dưới tác dụng của enzyme Carnitin acyl transferase II tạo trởlại acylCoA và giải phóng Carnitin ( Hình 7.1)

Acyl Carnitin + CoASH --------------------> Acyl CoA + Carnitin

Carnitin có thể coi là chất vận chuyển acyl qua màng ty lạp thể vào trong chất nền là nơi sẽ diễn ra quá trình oxy hoá acid béo.

Hình 7.1. Sự vận chuyển Acid béo qua màng ty thể.

3.2.3. Tái tạo acyl CoA: Quá trình này đi ngược lại bước 2 và Carnitin được giải phóng trở lại mặt ngoài của ty thể (hình 7.1).

3.2.4. Quá trình ββββ - oxy hoá acid béo:

Quá trình được Knoop người Đức (1904) đề ra trong khi nghiên cứu về lipid, ông chú ý đến số carbon chẵn của các acid béo, ông cho rằng muốn giữ được trạng thái "chẵn" đó thì



phân tử acid béo chỉ có thể thêm hoặc bớt bởi các sặp 2C mà thôi. Kiểm chứng bằng cách cho chó thí nghiệm ăn các acid béo chứa số carbon chẵn và lẻ được đánh dấu bằng nhóm phenyl. Trong quá trình chuyển hoá, nhóm phenyl không bị phá huỷ có thể tìm lại trong nước tiểu. Bằng cách đó, ông đã chứng minh được giả thiết của mình. Ngày nay bằng phương pháp nguyên tử đánh dấu người ta đã kiểm chứng được dễ dàng giả thiết của Knoop. Ngoài quá trình β - oxy hoá, người ta còn thấy một số quá trình oxy hoá acid béo khác như quá trình α - oxy hoá v.v.. Nhưng những quá trình này không giữ vai trò chủ yếu.

Các bước của quá trình β - oxy hoá acid béo như sau:

a) Oxy hoá lần1: do enzyme acyl dehydrogenase có nhóm ghép là FAD+ lấy đi một cặp H tạo thành liên kết đôi trong enoyl-CoA:

Cặp hydro từ FADH2 sẽ được chuyển vào chuỗi hô hấp tạo ra 2 ATP

b) Hợp nước: do enzyme hydratase, một phân tử nước được ghép vào vị trí Cβ

O OH O || +H2O ⏐ || R –CH2- CH = CH – C ∼ SCoA -------------> R- CH2 - C - CH2 – C ∼ SCoA β α Hydratase ⏐ H Enoyl - CoA β - Oxi Acyl CoA

c) Oxy hoá lần 2: Do enzyme acyl dehydrogenase có nhóm ghép NAD+ oxy hoá ở vịtrí Cβ tạo thành liên kết ceto acyl CoA

NADH2 chuyển điện tử vào chuỗi hô hấp cho ra 3 ATP.

d) Tạo acetyl-CoA: Do enzyme thiolase gắn CoASH vào Cβ tạo thành một acyl CoA mới ngắn đi 2C, và một acetyl-CoA



O O O O || || + CoASH || || R –CH2 - C - CH2 – C ∼ SCoA -------> R-CH2 - C∼ SCoA + CH3 - C∼ SCoA thiolase β ceto acyl CoA Acyl CoA míi (ng¾n ®i 2 C) Acetyl CoA

Quá trình lại lặp lại, acid béo bị cắt dần thành các acetyl CoA. Một chu trình quay đó, tế bào thu được 2 cặp H+: 1 cặp cho FAD+, 1 cặp cho NAD+ và một phân tử acetyl CoA. Acetyl CoA đi vào chu trình Krebs để oxy hoá cho ra năng lượng. Sơ đồ chu trình β - oxy hoá acid béo như sau: ( Hình 7.2a,b)

Hình 7.2 a. Sơ đồ quá trình ββββ oxy hoá acid béo



Hình 7.2b. Sơ đồ vòng xoắn Lynen.

Hiệu quả năng lượng trong quá trình β - oxy hoá: ví dụ β - oxy hoá palmidyl - CoA (acid palmidic) 16C, tế bào thu được nguồn năng lượng như sau: có 7 vòng quay tạo ra 7 FADH2, 7NADH2 và 8 phân tử acetyl CoA:

7 FADH2 → 7 x 2ATP = 14 ATP

7NADH2 → 7 x 3ATP = 21 ATP

8 phân tử acetyl CoA đi vào chu trình Krebs cho ra 12 ATP x 8 = 96 ATP

Tổng cộng: 14 ATP + 21 ATP + 96 ATP = 131 ATP

3.2.5. Sự oxi hoá các acid béo không no.

Đối với các acid béo có một hoặc nhiều liên kết đôi, như acid oleic, acid linoleic... quá trình β - oxy hoá diễn ra bình thường, các phân tử acetyl - CoA được tách dần ra, cho tới gần liên kết đôi. Tới đây, tuỳ theo vị trí của liên kết mà cần đến sự tham gia hỗ trợ của các enzyme như enoyl-isomerase đẩy liên kết đôi về đúng vị trí cacbon ∝ - β và β - hydroxyacyl-epimerase chuyển đồng phân D sang dạng đồng phân L để thích ứng với hệ thống enzym β - oxy hoá.



3.2.6. Sự oxi hoá các acid béo có số cacbon lẻ.

Các acid béo lẻ cacbon được hình thành từ sự chuyển hoá của các acid amin như acid amin valin, leucin v.v. tạo thành acid propionic (CH3- CH2 – COOH), acid valeric (CH3 - CH2

- CH2 - CH2 - COOH). Acid valeric được oxi hoá theo con đường β - oxy hoá tới dạng propionylCoA thì dừng lại. Ở đây nó được enzym propionyl-carboxylase có nhóm ghép là biotin ghép thêm CO2 vào trở thành metylmalonyl CoA. Chất này lại được enzym mutase biến sang dạng thẳng là succinyl CoA. Enzym này có nhóm ghép là dẫn xuất của VTMB12

Succinyl-CoA được đưa vào chu trình Krebs hoặc vào các chuỗi phản ứng chuyển hoá khác ví dụ tạo vòng porphirin, hoặc hoạt hoá thể ceton ở cơ v.v. ( Hình 7.3).

Hình 7.3. Quá trình Carboxyl hoá propionyl CoA



4. Sự hình thành và chuyển hoá thể ceton

Thể ceton là tên gọi trong chẩn đoán lâm sàng của nhóm gồm 3 chất là acid aceto acetic, acid β - hydroxybutyric và aceton

CH3 - C - CH2 - COOH CH3 - CH - CH2 - COOH CH3 - C - CH3

|| | || O OH O Acid aceto acetic Acid β - hydroxy butiric Aceton

Trong quá trình β - oxy hoá acid béo, lượng acetyl CoA được tạo ra rất nhiều. Bản thân tế bào gan chỉ sử dụng một ít acetyl CoA cho nhu cầu của mình còn phần lớn acetyl CoA được đưa tới các mô bào khác để sử dụng. Thể ceton là dạng chuyển vận trung gian của acetyl CoA.

Quá trình tạo ra thể ceton ở tế bào gan như sau:

O O O || - CoASH || ||a/ 2 CH3 - C ∼ ScoA ------------> CH3 – C – CH2 - C ∼ ScoA AcylCoA Transferase AcetoacetylCoA

O O O || || || + H2O b/ CH3 – C – CH2 - C ∼ ScoA + CH3 - C ∼ ScoA ------------> AcetoacetylCoA AcylCoA Syntetase

OH O | ||-----> COOH – CH2 – C - CH2- C ∼ ScoA + CoASH | CH3

β-hydroxy, β- metyl- glutaryl-CoA

OH O O O | || Phân giải || ||c/ COOH–CH2 - C - CH2- C∼ ScoA -------------> CH3– C– CH2- COOH + CH3-C∼ ScoA | Liase CH3

β-hydroxy, β- metyl- glutaryl-CoA Acid acetoaxetic acetylCoA

Acid acetoaxetic sau khi được hình thành, có thể được enzyme dehydrogenase có nhóm ghép là NADH2 khử thành acid β-hydroxy butylic.



70-80% thể ceton trong máu tồn tại ở dạng acid β - hydroxy butyric. Trong trường hợp rối loạn chuyển hoá nặng, khi hàm lượng acid aceto axetic quá cao, một phần chất này có thểbị mất đi CO2 tạo thành aceton (hình 7.4). Aceton là chất dễ bay hơi được bài tiết ra ngoài qua nước tiểu và hơi thở.

Như vậy, thể ceton là những chất chuyển hoá bình thường của cơ thể động vật, chúng chỉ trở nên nguồn gốc gây chứng toan huyết khi được sản sinh quá nhiều do điều tiết chuyển hoá glucid và lipid bị rối loạn.

Thể ceton được đưa tới các mô, ví dụ ở cơ, và được sử dụng vào mục đích năng lượng như biến thành dạng acid aceto acetic hoạt động. Quá trình chuyển hoá đó như sau:

Acetyl CoA được hình thành sẽ đi vào chu trình Krebs (hình 7.5).



Hình 7.4. Sự hình thành các thể ceton từ acetyl CoA



Hình 7.5. Quá trình tạo acetyl CoA từ D-ββββ -Hydroxybutyric

Ở thực vật (hạt có dầu) và vi sinh vật, acetyl CoA có thể được chuyển hoá qua chu trình glyoxylate, một dạng cải biến của chu trình Krebs, để tạo ra các sản phẩm glucid cần cho quá trình nẩy mầm.

Quá trình thành lập, sử dụng và bài tiết của thể ceton được tóm tắt như sau (Hình 7.6).



Hình 7.6. Sự hình thành và vận chuyển các thể ceton

5. Sự tổng hợp acid béo và triglyceride

Quá trình tổng hợp acid béo và lipid là cơ chế dự trữ năng lượng ở sinh vật. Ở gia súc hầu hết các mô bào đều có khả năng tổng hợp lipid. Nhưng có một vài cơ quan có khả năng tiến hành mạnh và thường xuyên như ở gan, mô lipid và cơ. Nguyên liệu chính mà cơ thểdùng để tổng hợp lipid là những sản phẩm chuyển hoá từ glucid như glycerine aldehydeyl-phosphate, dioxy-aceton-phosphate và acetyl CoA. Các thực nghiệm chỉ rõ rằng ở hạt có dầu hàm lượng lipid tăng dần trong khi hàm lượng glucid giảm dần, hai quá trình diễn ra song song và ngược chiều với nhau. Ở loài nhai lại, phần lớn lipid ở các mô, nhất là lipid sữa được tổng hợp từ các acid béo thấp phân tử như acid acetic, acid propionic (do quá trình phân giải chất xơ ở dạ cỏ cung cấp). Gần 50% bơ của sữa bò được tạo thành từ các acetate ngấm qua vách dạ cỏ vào máu rồi tới tuyến sữa. Ở lợn, khả năng sử dụng glucid để tạo lipid cao hơn các động vật khác tới 30%.

Quá trình tổng hợp lipid được thực hiện bởi hệ thống đa enzyme. Trong tế bào các enzyme này bố trí liên hoàn với nhau xung quanh một protein chính giữa gắn với 6 enzyme bao quanh protein vận chuyển đóng vai trò là chất vận chuyển acyl (ACP-Acyl carrier protein). Quá trình tổng hợp lipid diễn ra ở bào tương (lưới nội bào), quá trình như sau:

5.1.Nguồn glycerine tức glycerophesphate.

Glycerophosphate được tạo nên từ quá trình đường phân (từ phospho-dioxy-aceton và phospho-glycerine aldehyde):



CH2-O-H2PO3

⏐

C=O

⏐

CH2-OH

Phosphodioxyaceton

---------->

Isomerase

C HO

⏐

CH-OH

⏐

CH2-O-H2PO3

Phosphoglycerine

aldehyt

+NADH2

---------->

Dehydrogenase

CH2-OH

⏐

CH-OH + NAD

⏐

CH2-O-H2PO3

α-glycerophosphate

5.2. Tổng hợp acid béo theo vòng xoắn Lynen-Wakil:

Acid béo được tổng hợp từ các phân tử acetyl-CoA. Trong quá trình tổng hợp, trừ phân tử acetyl CoA đầu tiên đi vào dưới dạng không đổi, còn tất cả các phân tử vào sau đều từ dạng cacboxyl hoá tức là malonyl-CoA. Theo Lynen-Wakil quá trình tổng hợp acid béo được tiến hành qua 3 giai đoạn:

5.2.1. Hoạt hoá acetyl CoA tạo thành malonyl CoA thực hiện bởi enzyme carboxylase có nhóm ghép là biotin (còn gọi là Vitamin H), ATP và Mn++

O O || ATP ||CH3 - C ∼ ScoA + CO2 ----------------> COOH - CH2 - C ∼ ScoA AcetylCoA Mn2+, Biotin MalonylCoA

5.2.2. Nối dài chuỗi carbon trong acid béo: do enzyme trans acylase:

O SH SH S – CO- CH3

|| | - CoASH | |CH3 - C ∼ ScoA + EACP – SH -------> EACP – S – CO- CH3 ---> EACP – S AcylCoA

O S – CO – CH3 S – CO – CH3

|| | - CO2 |COOH - CH2 - C ∼ ScoA + EACP – SH -------------> EACP – S – CO- CH3

MalonylCoA - CoASH

S – CO – CH3 SH | Ngưng tụ |EACP – S – CO- CH3 --------------> EACP – S – CO- CH2 – CO – CH3



Khử lần 1 do enzyme dehydrogenase có nhóm ghép là NADPH2

Loại nước do enzyme hydratase

SH OH SH | | - H2O |EACP – S – CO- CH2 – CH – CH3 --------------> EACP – S – CO- CH = CH – CH3

Hydratase

Khử lần 2 do enzyme dehydrogenase có nhóm ghép là FMNH2

Phản ứng hoàn nguyên của FMN+

FMN+ + NADPH2 -------------> FMNH2 + NADP+

NADPH2 được tạo ra từ chu trình pentose phosphate.

Quá trình lại tiếp tục nhận một phân tử malonyl CoA vào chu trình và mỗi vòng quay lại nối dài thêm một cặp carbon tới khi phân tử acid béo có đủ độ dài đáp ứng với phân tử acid béo mà tế bào cần tổng hợp (Hình 7.7).

ACP là một protein có 77 acid amin có nhóm ghép là pantothenic. Công thức của pantothenic như sau:

CH3

| HOCH2 – C – CHOH – CO – NH – CH2 – CH2 – COOH | CH3



5.2.3. Kết thúc quá trình tổng hợp acid béo nhờ enzyme acyl transferase

SH O SH | Acyl transferase || |EACP –S – CO-(CH2)n– CH3 + CoASH ----------------> CH3 – (CH2)n– C ∼ ScoA + EACP -

SH AcylCoA



HOOC CH2 C SCoA

O

~

C CH2 C

OO

CH CH2 C

OOH

H3CHC CH C

O

H3CH2C CH2 C SCoA

O

~

CH3 C SCoA

O

~

HOOC CH2 C SCoA

O

~ CH3

CH3

NADPH2

NADP+

-H2O

FMN+

FMNH2

NADPH2

NADP+

RH2C CH2 C SCoA

O

~

EACPSH

SH

Trong cơ thể sinh vật gần 70-80% acid béo ban đầu được tổng hợp dưới dạng palmidyl CoA (16C). Sau đó, tuỳ theo nhu cầu của tế bào, từ acid béo này sẽ được chuyển hoá thành các acid béo khác. Việc xử lý này được tiến hành ở hai vị trí, nếu đòi hỏi nối dài thêm phân tửacid béo thì palmidyl CoA được đưa vào ty lạp thể, ở đó nó được nối dài bởi các acetyl CoA. Nếu trở thành các acid béo không bão hoà hoặc thấp phân tử hơn thì nó được chuyển vào tiểu thể microsome để oxy hoá.

5.3. Quá trình tổng hợp mỡ (quá trình gắn acid béo vào glycerine)

Trong tế bào có sẵn glycerine ở trạng thái hoạt hoá. Quá trình gắn acid béo được thực hiện lần lượt từng phân tử và tạo thành các sản phẩm: mono, di-glyceride phosphate và cuối cùng mới tạo thành triglyceride.

Hình 6.7. Mô hình tổng hợp acid béo theo vòng xoắn Lynen



CH2-OH O CH2-O - CO - ( CH2 )n - CH3

⏐ || - CoASH ⏐CH-OH + CH3 – (CH2)n– C ∼ ScoA ------------------> CH-OH ⏐ Acyl transferase ⏐CH2-O-H2PO3 CH2-O-H2PO3

Glycerophosphate Mono glyceride phosphate

CH2-O-CO - ( CH2 )n - CH3 O CH2-O - CO - ( CH2 )n - CH3

⏐ || - CoASH ⏐CH-OH + CH3 – (CH2)n– C ∼ ScoA -------------> CH-O- CO - ( CH2 )n - CH3 ⏐ Acyl transferase ⏐CH2-O-H2PO3 CH2-O-H2PO3

Mono glyceride phosphate Di glyceride phosphate

CH2-O-CO - ( CH2 )n - CH3 CH2-O - CO - ( CH2 )n - CH3

⏐ - H3PO4 ⏐CH-O - CO - ( CH2 )n - CH3 -------------> CH-O- CO - ( CH2 )n - CH3 ⏐ Phosphatease ⏐CH2-O-H2PO3 CH2-OH

Di glyceride phosphate Di glyceride

CH2-O-CO - ( CH2 )n - CH3 CH2-O - CO - ( CH2 )n - CH3

⏐ - CoASH ⏐CH-O - CO - ( CH2 )n - CH3 -------------> CH-O - CO - ( CH2 )n - CH3 ⏐ Acyl transferase ⏐

CH2-OH + CH3 – (CH2)n– C ∼ ScoA CH2-O-CO –(CH2)n -CH3. || O

Di glyceride Tri glyceride

Mỡ hình thành được chứa vào các hạt trong tế bào. Ở động vật bậc cao có 3 acid béo mà cơ thểkhông tự tổng hợp được, đó là:

Acid linoleic (18C có 2 liên kết kép) C18H32O2

CH3 – (CH2)4 – CH = CH – CH2 – CH = CH – (CH2)7 – COOH

Acid linolenic (18C có 3 liên kết kép) C18H30O2

CH3 – CH2 – CH = CH – CH2 – CH = CH – CH2 – CH = CH- (CH2) 7 - COOH

Acid arachidonic (20C có 4 liên kết kép) C20H32O2

CH3–(CH2)4–CH = CH– CH2– CH=CH– CH2– CH=CH–CH2–CH=CH-(CH2)3– COOH

Đây là ba acid béo giữ vai trò quan trọng trong quá trình phân chia tế bào (có tên chung là vitamin F), các acid béo này gọi là " lipid cần thiết", cơ thể động vật phải khai thác chúng từ nguồn thức ăn. Các acid béo này tuy nhiên lại có nhiều ở dầu thực vật.



6. Sơ lược về vai trò và sự chuyển hoá các dạng lipoide

Lipoid gồm nhiều đại diện khác nhau, nhưng người ta mới nghiên cứu kỹ hai loại là nhóm Steroid và phospholipid. Hai loại này tham gia vào nhiều quá trình trao đổi vật chất của cơ thể.

6.1. Nhóm Steroid: Đại diện chủ yếu của nhóm lipoid này là cholesterol và cholesterin tức là este của cholesterol và acid béo. Cholesterol có nhiều trong mô bào động vật và vi sinh vật khác. Trong máu động vật, hàm lượng của nó có thể từ 150-250 mg%. Sơ đồ công thức của cholesterol như sau:

6.1.1. Tổng hợp cholesterol: Theo Bloch (1944) cholesterol được tổng hợp từ các acetyl-CoA, quá trình tổng hợp diễn ra khá dễ dàng ở nhiều mô:

Từ acetyl CoA --------------> isopren (CH3- C = CH- CH3)n

⎮ CH3

Từ isopren ----------------> bộ xương squalen CH3- C = CH- CH2- (CH2- C= CH- CH2)4 - CH2- CH = C- CH3) ⎮ ⎮ ⎮ CH3 CH3 CH3

Sau đó squalen gấp khúc tạo thành cholesterol.

6.1.2. Sự chuyển hoá của cholesterol.

Trong quá trình chuyển hoá cholesterol sẽ biến thành nhiều hoạt chất sinh học hoặc sẽthải theo mật và qua vách ruột gìa. Một lượng nhỏ có thể đưa ra theo mỡ nhờn của da. Từcholesterol có thể chuyển hoá cho ra các sản phẩm sau:

Các hormone thuộc nhóm Steroid như các hormonee sinh dục và nhóm corticosteroid (hormone tuyến thượng thận).

Các acid mật ở gan

Nhóm vitamin D như vitamin D3 (calcipherol). Cholesterol ở dưới da, dưới tác dụng của tia tử ngoại (λ=260mμ) bị phân hoá tạo thành vitamin D3:



Một phần cholesterol qua ruột già thải theo phân ra ngoài (dưới tác động oxy hoá-khửdo vi khuẩn ruột già).

6.2. Nhóm phosphateide: Đây là nhóm lipid có phospho làm nhóm ghép. Phosphateide chiếm vị trí quan trọng trong quá trình trao đổi lipid và protein. Phosphateide xúc tiến việc hấp thu lipid ở vách ruột, tham gia vào việc vận chuyển lipid và acid béo trong cơ thể. Chất điển hình của nhóm này là lecithin

CH2 – O – CO – R1

⎢ CH – O – CO – R2

⎢ O CH3

⎢ ⎢⎢ + CH2 – O – P – O – CH2 – CH2 – N – CH3

⎢ OH CH3

Lecithin gồm nhiều chất khác nhau bởi các acid béo (R1, R2.).

Phần cholin có thể được thay thế bởi serine tạo thành phosphateide serine hoặc bằng ethanolamine tạo thành phosphateide ethanolamine.

CH2 – OH CH2 – OH CH2 – OH CH3

⎢ ⎢ ⎢ CH CH2 CH N CH3

⎢ ⎢COOH NH2 NH2 CH3

Serine Ethanolamine Choline

Cơ thể sinh vật có khả năng tổng hợp phosphateide từ các nguyên liệu đơn giản nhưglycerine, acid béo, acid phosphoric, choline, ethanolamine, serine v.v.

Phosphateide giúp cho quá trình chuyển hoá acid béo ở gan. Nhiều thực nghiệm cho thấy một trong các nguyên nhân của bệnh gan nhiễm mỡ là vì thiếu phosphateide mà chủ yếu là thiếu nguyên liệu để tổng hợp chúng, trước hết là nhóm methyl.



Quá trình phân giải lecithin do lớp enzyme lecithinase (phospholipase) đây là một tổhợp gồm 4 enzyme A,B,C,D. Nhóm enzyme này hoạt động liên hoàn đồng thời. Enzyme A cắt acid béo thứ nhất, enyime B cắt acid béo thứ 2, enzyme C cắt phosphate, enzyme D cắt choline. Sản phẩm thu được là các acid béo, glycerine, acid phosphoric và choline.

7. Điều hoà quá trình chuyển hoá lipid.

Trao đổi lipid ở động vật chịu ảnh hưởng chi phối của hormone và hệ thần kinh.

7.1. Hệ thần kinh: kể cả hệ thần kinh cao cấp đều có tác dụng rất mạnh đến quá trình tích luỹ mỡ, một phần là do những dây thần kinh đi trực tiếp tới mô mỡ, một phần thông qua hệ hormone. Những hoạt động thần kinh căng thẳng đều làm giảm mỡ tích luỹ trong cơ thể, động vật thuộc loại hình thần kinh hưng phấn thường khó vỗ béo.

7.2. Hệ hormone: Insuline có tác dụng xúc tiến quá trình tổng hợp mỡ từ nguyên liệu glucid, nó thực hiện quá trình phosphoryl hoá glucose tạo nguyên liệu cho tổng hợp mỡ. Nhóm corticosteroid của tuyến thượng thận cũng có tác dụng thuận lợi cho quá trình thích luỹmỡ. Nhóm hormone sinh dục có tác dụng phức tạp tới quá trình này: hormone sinh dục cái có tác dụng thúc đẩy quá trình tích luỹ mỡ, ngược lại hormone sinh dục đực lại gây giảm tích luỹmỡ.

7.3. Những rối loạn của trao đổi lipid: Sự chuyển hoá lipid có liên quan mật thiết đến sự chuyển hoá glucid. Khi có sự rối loạn về trao đổi glucid (ví dụ khi có bệnh đường niệu) thì sự chuyển hoá lipid sẽ được tăng cường dẫn đến thể ceton tăng. Ở cơ thể khoẻ mạnh, trao đổi chất tiến hành bình thường, hàm lượng thể ceton của máu rất thấp (1-2mg%). Nhưng khi cơthể suy nhược, hoặc khi phải dùng lipid làm chất cho năng lượng chủ yếu (nhất là khi thiếu Insuline) thì thể ceton ở máu có thể tăng lên rất nhiều (200-300mg%), đây là hiện tượng ceton huyết. Hậu quả của ceton huyết là ceton niệu tức là nước tiểu chứa nhiều thể ceton, lúc này aceton được hình thành và thải theo hơi thở, theo mồ hôi. Thể ceton gây cho cơ thể trạng thái toan huyết và làm rối loạn sâu sắc các quá trình hoá sinh học của cơ thể. Đối với loài nhai lại, trước hết là bò sữa, tình trạng ceton-huyết thường gặp do chăm sóc không đúng kỹ thuật, khi khẩu phần ăn thừa tinh, thiếu thô.

Khi nói tới rối loạn về trao đổi lipid cũng cần nói tới các trạng thái gây ra bởi bệnh lý của gan, gan nhiễm mỡ v.v. Khi cơ thể thiếu lipid trong khẩu phần sẽ dẫn tới sự thiếu các vitamin hoà tan trong lipid như vitamin A,D,E,K là các yếu tố dinh dưỡng rất cần thiết. Khi thiếu các lipid "cần thiết" trong khẩu phần thì sẽ làm ngưng trệ quá trình phân bào làm cho cơthể không phát triển được.




CHƯƠNG VII: LIPID VÀ SỰ CHUYỂN HOÁ LIPID Khái niệm , Vai trò của lipid. Một số đặc điểm tiêu hoá, hấp thu, vận chuyển và

dự trữ lipid ở động vật. Sự phân giải triglycerid. Sự hình thành và chuyển hoá thểxeton. Sự tổng hợp acid béo và mỡCâu 1: Vai trò của lipit đối với động vật? Câu 2: Sự tiêu hoá và hấp thu lipit? Câu 3: Vai trò của gan trong trao đổi lipit? Câu 3: Quá trình β-oxy hoá axít béo? Tính hiệu quả năng lượng khi oxy hoá axít béo palmetic? Câu 4: Sự hình thành và chuyển hoá thể xêtôn trong mô bào động vật? Câu 5: Sự tổng hợp axít béo theo vòng soắn Lynen ở mô bào động vật? Câu 6: Sự tổng hợp Triglyxerit ở mô bào động vật?



CHƯƠNG VIII

TRAO ĐỔI PROTEIN

1. Ý nghĩa của trao đổi protein ở động vật

Trao đổi protein giữ vị trí chủ đạo trong toàn bộ quá trình trao đổi vật chất ở sinh vật, vì bất cứ hiện tượng sống nào cũng đều gắn liền trực tiếp với sự trao đổi protein. Sự sinh trưởng, phát dục của động vật có nội dung cơ bản là trao đổi protein. Sự di truyền, biến dịcũng gắn trực tiếp hay gián tiếp đến trao đổi protein. Cho nên để hiểu được hiện tượng sống của sinh vật tiến tới chi phối được hiện tượng này theo hướng có lợi cho con người cần phải hiểu sâu sắc về trao đổi protein.

Protein quan trong đối với động vật xét theo 2 mặt:

Ý nghĩa về tạo hình: Protein là nền tảng, là loại chất chủ yếu để cấu tạo nên mọi mô bào sinh dịch, đó là các chất có hoạt tính sinh học quan trọng như enzyme, các kháng thể, các hormone...; các mô bào như cơ, xương, máu, não, tuỷ... Protein trong cơ thể động vật luôn luôn ở trạng thái động, trạng thái trao đổi, luôn luôn được đổi mới tức là ở trạng thái đồng hoá và dị hoá, đây là cơ sở của mọi sự phát triển ở động vật. Bằng phương pháp nguyên tửđánh dấu, người ta đã biết được thời gian tồn tại của hồng cầu là 2-4 tháng, của enzyme amylase là 2 giờ, của bộ xương là 5-10 năm. Chính vì vậy hàng ngày cơ thể luôn luôn đòi hỏi một nguồn acid amin theo với thức ăn vào để bù đắp lại những bộ phận già cỗi đã bị thải bỏtrong quá trình dị hoá.

Ý nghĩa về năng lượng: trong quá trình dị hoá một phần protein cũng bị oxy hoá để cho năng lượng, 1g protein khi oxy hoá hoàn toàn cho ra 4,1 Kcal

2. Đặc điểm của trao đổi protein ở động vật

Trao đổi protein có một số đặc điểm khác với các trao đổi chất khác là:

2.1. Vấn đề chất lượng của protein: Ở động vật muốn có quá trình sinh trưởng và phát dục bình thường thì phải có đầy đủ protein trong khẩu phần. Đầy đủ protein phải hiểu trước hết là về mặt chất lượng có nghĩa là thành phần các acid amin trong protein. Ở nhiều động vật nhất là động vật nông nghiệp và người khả năng tự tổng hợp một số acid amin bị hạn chế, nên những acid amin này bắt buộc phải được cung cấp theo khẩu phần. Đối với đa số động vật những acid amin này là: Tre, Met, Val, Phe, His, Try, Lyz, Leu, Ileu. Số acid amin không thay thế này còn phụ thuộc vào giống, lứa tuổi, ví dụ Arg và Gly lại rất thiếu đối với gà con. Đối với loài nhai lại như trâu, bò, dê, cừu thì nhu cầu acid amin từ thức ăn không căng thẳng lắm vì có hệ vi sinh vật cộng sinh ở đường tiêu hoá tổng hợp được tất cả các loại acid amin

Chất lượng ở đây còn được hiểu theo ý nghĩa về mặt tiêu hoá: dễ hay khó tiêu hoá, ví dụprotein trong sữa khác với trong gân, ở sữa sự tiêu hoá hầu như hoàn toàn, còn ở gân là rất ít.

2.2. Quá trình hấp thu: Các acid amin hấp thu qua vách ruột theo một tương quan sốlượng nhất định. Ví dụ theo Wiliam tỷ lệ % thích hợp của các acid amin không thay thế đối với lợn con cho quá trình hấp thu (tính % theo lyzin) như sau:

Lyz: 100; Try: 9; Met và Cys: 34; His: 33; Val: 12;

Tre: 45; Leu: 85; Tyr và Phe: 78; Ileu: 47.



Tỷ lệ tương quan này khi bị mất cân bằng thì có hai khả năng:

Cơ thể có thể điều lượng acid amin thiếu vào ruột để bù đủ tương quan về số lượng cho việc hấp thu được hết acid amin. Những acid amin đó người ta gọi là nguồn ni tơ nội sinh. Nguồn ni tơ nội sinh này bao gồm những sản phẩm của cơ thể như các enzyme của đường tiêu hoá (aminase...), các bạch cầu...

Nếu cơ thể không bù đắp được thì những acid amin "thừa" (thừa thiếu) không được hấp thu sẽ bị thải ra ngoài vì khả năng bù đắp của cơ thể cũng có hạn.

Đây chính là cơ sở của việc bổ xung thức ăn trong xây dựng khẩu phần ăn cho gia súc, đó chính là sự bổ xung các acid amin thiếu trong thức ăn, bằng cách đó đã nâng cao được chất lượng thức ăn, biến thức ăn rẻ tiền thành thức ăn có giá trị.

2.3. Cơ thể không dự trữ được protein: Mỗi cơ thể chỉ sử dụng protein tới một mức độnhất định, nếu thừa nó sẽ bị thải ra ngoài dưới dạng ure, uric... hoặc bị biến đổi sang dạng đường, lipid để dự trữ. Quá trình tích luỹ protein chỉ có ở động vật non, động vật mới ốm dậy. Người ta đưa ra khái niệm về cân bằng nitơ như sau: Cân bằng nitơ là xét số lượng nitơ đưa vào cơ thể (theo thức ăn, nước uống...) và số lượng nitơ bài tiết ra ngoài cơ thể theo phân, nước tiểu, mồ hôi trong một khoảng thời gian nhất định.

Trong quá trình sống của động vật có ba trạng thái:

Cân bằng dương: Σ N đưa vào cơ thể > Σ N đưa ra khỏi cơ thể. Hiện tượng này có ởđộng vật non, động vật mới ốm dậy, động vật có chửa.

Cân bằng: Σ N đưa vào cơ thể = Σ N đưa ra khỏi cơ thể. Hiện tượng này có ở động vật trưởng thành (người 24-45 tuổi).

Cân bằng âm: Σ N đưa vào cơ thể < Σ N đưa ra khỏi cơ thể. Hiện tượng này có ở động vật già, suy thoái, đang ốm.

Hình 8.1. Đồ thị về quá trình tích luỹ N ở một cơ thể động vật trong quá trình sống

Động vật trưởng thành, hàng ngày đòi hỏi một lượng protein tối thiểu để bảo đảm đủthay thế các mô bào, các hoạt chất như enzyme, hormone, kháng thể... đã già cỗi. Lượng protein tối thiểu đó người ta gọi là protein minimum. Số lượng này khác nhau ở các động vật, nhưng nhìn chung vào khoảng 1g/1kg khối lượng/1ngày. Lý do sinh vật không dự trữ protein là vì mỗi sinh vật trong quá trình tiến hoá trong môi trường sinh thái đã có kích thước nhất định, vì protein là nền tảng của cấu tạo mô bào, tế bào nên protein không thể tích luỹ vô tận, nó sẽ làm phá vỡ kích thước đã được cố định đó của sinh vật.

3. Tiêu hoá và hấp thu protein

Protein nói chung được đưa vào cơ thể thông qua con đường tiêu hoá. Trong ống tiêu hoá những protein nào có tính dễ hoà tan trong nước thì khả năng tiêu hoá cao như globulin,



albumin của trứng, sữa, còn những protein nào kém hoặc không hoà tan trong nước thì tiêu hoá hoá khó khăn hoặc không tiêu hoá được như protein của gân, dây chằng...

* Ở xoang miệng: không có enzyme tiêu hoá protein, ở miệng protein chỉ chịu tác động cơ học (tuy nhiên ở miệng có peptidase của VSV cư trú trong xoang miệng, chúng phân huỷprotein thành những chất có mùi hôi).

* Ở dạ dày: Đây là khu vực tiêu hoá protein mạnh nhất, vì ở đây có đủ điều kiện tối ưu để tiêu hoá protein đó là:

pH =1,5-2,5. Môi trường acid này là do tế bào phụ tiết HCl, độ pH này có tác dụng là môi trường sát trùng tốt, hầu hết các tạp trùng bị tiêu diệt trong môi trường này; làm chương nở protein làm cho các liên kết peptide dễ bị enzyme tác động, một số liên kết peptide bị thuỷphân ngay ở môi trường acid này, nên ở những động vật vì lý do nào đó mà ảnh hưởng tới độpH này thì sẽ ảnh hưởng tới sự tiêu hoá protein, đặc biệt ở động vật non đang bú sữa mẹ, người ta phải cho uống thêm dịch vị nhân tạo. HCl còn có tác dụng hoạt hoá enzyme pepsinogen.

Enzyme pepsin: do tế bào chính ở thân vị tiết ra, khi mới tiết ra ở dạng pepsinogen chưa có hoạt tính, có khối lượng phân tử 42.000 dalton, nó bị che phủ bởi một peptide có khối lượng phân tử 7.000 dalton (hình 8.2). Dưới tác dụng của H+ đoạn peptide này bị cắt đi, giải phóng trung tâm hoạt động, trở thành pepsin hoạt động. Khi hoạt động nó lại hoạt hoá pepsinogen, quá trình này mạnh hơn do H+. Pepsin có hoạt lực phân giải protein cao nhất trong các enzyme tiêu hoá protein (2gam/1 giờ phân giải được 50kg lòng trắng trứng).

Hình 8.2. Mô hình về pepsinogen

Pepsin là enzyme peptidase nội, nó cắt liên kết peptide ở giữa phân tử tạo thành các đoạn peptide và cắt liên kết peptide đặc hiệu, liên kết peptide có các acid amin mạch vòng. Tuy nhiên nếu đủ thời gian thì tất cả các liên kết peptide đều bị cắt.

Chimozin (Rennin): là enzyme có ở động vật non trong giai đoạn bú sữa. Tác dụng chính của enzyme này là làm đông vón caseinogen thành caseinoat Ca++ để lưu lại ở dạ dày cho pepsin tác dụng.

Dạ dày cũng là protein nhưng không bị pepsin phân giải, đó là do niêm mạc dạ dày được phủ bởi một lớp polisacarid (mucoproteid), mặt khác pH của mô dạ dày là 7,3 không



phù hợp với hoạt động của pepsin, ngoài ra nó còn bị chi phối bởi hệ thần kinh. Những hoạt động thần kinh căng thẳng và kéo dài thường dẫn đến đau dạ dày.

* Ở ruột non: Môi trường ở đây là kiềm pH=8-9. HCl từ dạ dày đưa xuống bị trung hoà bởi các bicarbonat do dịch tuỵ tiết ra:

NaHCO3 + H+ ----- > Na+ + H2CO3

Các enzyme tiêu hoá protein ở đây do tuyến tuỵ tiết ra là chủ yếu, một phần do tuyến ruột tiết ra.

Tuyến tuỵ tiết ra các enzyme sau:

Trypsinogen: Trypsinogen có khối lượng 23.000 dalton chưa có hoạt tính, dưới tác dụng của enterokinase do tuyến ruột tiết ra nó được hoạt hoá thành trypsin có hoạt tính.

Hình 8.3. Cấu trúc phân tử trypsinogen

Trong trypsinogen His bị dây nối phụ kéo lệch khỏi vị trí trung tâm hoạt động xa Ser (hình 7.3). Dưới tác dụng của Entero kinase cắt liên kết Lyz-Val và các liên kết phụ làm cho His trở về trung tâm hoạt động. Khi hoạt động trypsin lại có tác dụng hoạt hoá trypsinogen. Trypsin cắt liên kết giữa của chuỗi peptide và liên kết có chứa các acid amin kiềm tính, tuy nhiên nếu có đủ thời gian thì nó cũng cắt hết tất cả các liên kết còn lại.

Chimotrypsinogen: khi mới tiết ra ở trạng thái chưa hoạt động, phân tử gồm 246 acid amin, có 5 cầu disunfid (hình 8.4). Khối lượng phân tử 21.000 dalton, nó được hoạt hoá bởi Trypsin. Quá trình hoạt hoá như sau:

Hình 8.4. Cấu trúc của chimotrypsin



Trypsin cắt liên kết peptide 14-15, chimotrypsinogen chuyển thành π chimotrypsin có hoạt lực nhưng cấu trúc không bền và hoạt lực yếu.

Trypsin cắt liên kết peptide 114-115 (Ser và Arg), chimotrypsinogen chuyển thành βchimotrypsin không có hoạt lực.

Trypsin cắt liên kết peptide 148-149 (Tre và Asp) chimotrypsinogen tạo thành 3 đoạn peptide nối với nhau bằng 5 liên kết disunfid chuyển thành α chimotrypsin có hoạt lực cao và bền vững trong môi trường base và acid. Chimotrypsin có tác dụng cắt liên kết peptide tạo bởi acid amin mạch vòng, Leu, ILeu và Met.

Carboxyl peptidase: khi mới tiết ở dạng pro carboxyl peptidase chưa có hoạt tính, nó được hoạt hoá bởi trypsin và chimotrysin tạo thành 2 dạng hoạt động A và B. Chúng có tác dụng cắt liên kết peptide ở đầu có nhóm carboxyl (-COOH). Dạng A cắt liên kết peptide phía –COOH tạo bởi acid amin trung tính, dạng B cắt liên kết peptide phía –COOH tạo bởi acid amin kiềm tính. Đặc điểm của enzyme này là hoạt động phải có Zn++ tham gia, Zn++ là cầu nối giữa enzyme với cơ chất (hình 8.5).

Liên kết peptide được cắt

R C

O

N

H

C

H

R'CH2

COO-

Zn2+

Enzyme carboxyl peptidase

Hình 8.5. Zn2+ là cầu nối giữa enzyme với cơ chất

Vách ruột tiết ra các enzyme:

Enterokinase có tác dụng hoạt hoá trypsinogen do tuyến tuỵ tiết ra.

Amin peptidase có tác dụng cắt liên kết peptide từ phía các acid amin dư nhóm NH2.

Dưới tác dụng của các enzyme kể trên protein được phân giải thành các acid amin.

Đối với nhóm nucleoproteid do enzyme nuclease phân giải, bao gồm: Ribonuclease phân giải RNA và desoxiribose phân giải DNA thành nucleotide. Nucleotidase phân giải nucleotide thành các base, đường và phot phat.



Sự tiêu hoá protein phụ thuộc vào chất lượng protein và trạng thái đường tiêu hoá. Trong điều kiện bình thường, protein của sữa tỷ lệ tiêu hoá đạt 95-97%, thịt nạc 80-85%, gân dây chằng rất ít.

Phần lớn các acid amin được hấp thu qua vách ruột khá dễ dàng, phần còn lại không được hấp thu cùng với protein không được tiêu hoá sẽ chuyển xuống ruột già, ở đây nó bịphân huỷ do VSV của ruột già. Sự hấp thu các acid amin qua vách ruột theo nhiều cơ chế, chủyếu là cơ chế tích cực đòi hỏi năng lượng của ATP. Cách thứ hai là dưới dạng γ-Glutamin- acid amin.

Trong điều kiện bình thường peptide, protein không được hấp thu qua vách ruột, nguyên nhân là do ý nghĩa sinh học của nó. Bình thường cơ thể có các phản ứng miễn dịch, là phản ứng chống lại các dị vật là protein. Vì protein là chất mang sự sống, nó có thể là virut, vi khuẩn nên cơ thể phải cảnh giác với những dị vật này và trong quá trình tiến hoá đã sinh ra các kháng thể miễn dịch, đó là những protein có khả năng chống lại các dị vật trên (các kháng nguyên), đây là phản ứng tự vệ của cơ thể. Khi protein phân giải thành các acid amin nó không còn tính đặc trưng sinh học nữa mới được hấp thu. Có hai trường hợp ngoại lệ:

Nếu uống thật nhiều lòng trắng trứng thì trong nước tiểu phân tích thấy có chất này, sựhấp thu này là bị động, cơ thể bị trúng độc, nó được đào thải ra ngoài qua nước tiểu.

Trường hợp gia súc sơ sinh trong tuần lễ đầu nó hấp thu kháng thể ở sữa đầu của mẹ(hấp thu chủ động), đây là cách truyền kháng thể của mẹ cho con. Trong sữa đầu của mẹ có rất nhiều kháng thể, đặc biệt là nhóm IgA là kháng thể gây miễn dịch cục bộ. Trong sữa đầu còn có chất ức chế trypsin nên kháng thể không bị phân giải. Việc hấp thu kháng thể theo con đường ẩm bào. Gia súc sơ sinh rất cần bú sữa đầu, nếu không tỷ lệ tử vong sẽ cao. Sau tuần lễđầu thì khả năng này sẽ bị hết.

Acid amin được hấp thu qua vách ruột vào tĩnh mạch, qua tĩnh mạch cửa về gan rồi theo hệ tuần hoàn đến các mô bào hoặc gan sử dụng để tổng hợp nên protein của cơ thể.

4. Sự chuyển hoá trung gian của acid amin

Acid amin sau khi được hấp thu được đưa vào máu, một phần sẽ được giữ ở gan, một phần sẽ được chuyển tới các cơ quan, các mô bào khác. Lượng acid amin đó cùng với số acid amin hình thành trong quá trình phân giải đổi mới của mô bào, hàng ngày hợp thành lượng acid amin chung được đưa vào vòng chuyển hoá. Lượng này nhiều hay ít là tuỳ loài sinh vật, tuỳ trạng thái trao đổi chất của cơ thể. Cách chuyển hoá của acid amin có thể theo hai hướng:

Hướng thứ nhất là dùng vào quá trình sinh tổng hợp thành peptide, protein, trong đó thường xuyên nhất là sinh tổng hợp enzyme, kháng thể và hormone.

Hướng thứ hai là chuyển hoá phân giải, thông qua con đường này acid amin bị mất nitơbiến thành các cetoacid và được chuyển hoá, oxy hoá đến dạng CO2 và H2O, đồng thời giải phóng ra năng lượng dùng cho các nhu cầu sống của cơ thể. Ni tơ được bài tiết ở đây chủ yếu dưới dạng muối amon, ure và acid uric.

4.1. Sự phân giải acid amin

Trong cơ thể động vật acid amin có thể bị phân giải thông qua 3 phản ứng điển hình là phản ứng khử amin, phản ứng chuyển amin và phản ứng khử carboxyl. Nguồn acid amin đi vào con đường phân giải chủ yếu là từ các acid amin nội sinh (từ các hormone, enzyme, các



kháng thể hoặc từ các tế bào già cỗi bị phân giải do hệ thống catepsin nằm trong lyzoxom), còn từ thức ăn là rất ít.

4.1.1. Phản ứng khử amin

Phản ứng này được tiến hành mạnh ở gan, vách ruột. Trong phản ứng này acid amin bịphân giải thành các cetoacid và amiac. Trong giới sinh vật có nhiều cách thực hiện phản ứng khử amin, còn trong mô bào động vật thì con đường khử amin theo con đường oxy hoá dưới tác dụng của nhóm enzyme oxydase. Đối với acid amin hàng D thì có coenzyme là FAD+, đối với acid amin hàng L thì coenzyme là FMN+.

Phản ứng diễn ra như sau:

FMNH2 + O2 ------ > H2O2 (peroxyt hydrogen) + FMN Catalase H2O2 (peroxyt hydrogen) ---------------- > H2O + O2

FMNH2 không đưa cặp H+ vào chuỗi hô hấp, nó đưa cho oxy nên gọi là enzyme oxydase.

H2O2 là chất độc đối với cơ thể nên nó được catalase chuyển hoá thành nước và oxy phân tử. Chiều của phản ứng này không có chiều nghịch, đây là con đường phân giải triệt đểacid amin. Enzyme oxydase có tính đặc hiệu không cao, một enzyme có thể khử được hàng chục acid amin

Sự khử amin thuận nghịch của acid glutamic:

Acid glutamic có vai trò đặc biệt quan trọng trong trao đổi protein, enzyme thực hiện phản ứng khử amin của nó là glutamat dehydrogenase có nhóm ghép là NAD+ hoặc NADP+. Đây là enzyme bố trí ở trong ty lạp thể, có hoạt lực cao ở gan và tuyến thượng thận. Phản ứng như sau:

Ý nghĩa của phản ứng: là phản ứng có tính thuận nghịch cao, thông qua phản ứng nghịch là con đường amin hoá các hợp chất hữu cơ, biến NH3 là chất độc đối với cơ thể thành



sản phẩm có giá trị (phản ứng là cửa ngõ để đưa chất vô cơ NH3 vào thế giới hữu cơ). Phản ứng theo chiều nghịch chủ yếu xảy ra ở thế giới thực vật và VSV.

Phản ứng theo chiều nghịch là cơ chế giải quyết lượng NH3 khi cơ thể bị trúng độc kiềm.

Vai trò của acid glutamic trong trao đổi acid amin là rất lớn, acid glutamic là chất khởi thuỷ của các acid amin, nó đóng vai trò cung cấp nhóm amin chủ yếu cho quá trình tổng hợp các acid amin khác thông qua phản ứng chuyển amin.

Đối với một số acid amin đặc biệt như SER, CYS, TRE, HIS, TRY, ASP phản ứng khửamin của chúng đi theo con đường khử nước. Enzyme thực hiện phản ứng này là dehydrogenase có nhóm ghép là phospho piridoxal là dẫn xuất của VTM B6.

CH 2OH

N

CH 2HO

H3C

OH

VTMB6

CH 2OH

N

CH 2HO

H3C

O P

O

E

OH

O

Photphopyridoxal

Ví dụ phản ứng khử amin của serin:

4.1.2. Phản ứng chuyển amin

Trong chuyển hoá acid amin ở mô bào động vật cũng như sinh vật khác, phản ứng chuyển amin giữ một vai trò quan trọng hàng đầu. Thông qua phản ứng này thế giới thực vật và vi sinh vật có khả năng tạo nên các acid amin mới. Khả năng này cũng có ở mô bào động vật, tuy nhiên ở đây có hạn chế hơn. Phản ứng này diễn ra mạnh ở gan, vách ruột. Phản ứng được thực hiện bởi hệ thống enzyme đặc biệt gọi là transaminase (còn gọi là amin ferase). Đây là nhóm enzyme phức tạp có kích thước phân tử khá lớn (255acid amin ≈ 25.500 dalton), có nhóm ghép cũng là phosphopiridoxal. Sơ đồ phản ứng như sau:

Acid amin Cetoacid Cetoacid mới Acid amin mới

Đây là phản ứng thuận nghịch, trong cơ thể động vật chất cho amin thường là những acid amin cần khử amin, chất nhận thường là α- cetoglutarat, trong trường hợp cần tổng hợp các acid amin thì chất cho amin thường là acid glutamic.

Cơ chế của phản ứng thực hiện qua chất trung gian là kiềm shiff (hình 8.6).



Trong cơ thể động vật có hai cặp phản ứng chuyển amin thực hiện khá mạnh, đó là:

Cặp thực hiện bởi enzyme Glutamat - Oxaloaxetat - Transaminase (GOT)

Cặp thực hiện bởi enzyme Glutamat - Pyruvat - Transaminase (GPT)



Hình 8.6. Cơ chế phản ứng chuyển amin

Hai cặp enzyme GOT và GPT hoạt động mạnh ở gan, cơ, tim và nhiều mô bào khác. Trong chăn nuôi việc định lượng hoạt lực các enzyme này có ý nghĩa quan trọng, thông qua hoạt lực của chúng, người ta có thể biết được cường độ chuyển hoá acid amin, từ đó gián tiếp biết được cường độ trao đổi protein cũng như trao đổi chất nói chung của con vật, đồng thời có thể xét đoán về phẩm chất con giống, khả năng hấp thu thức ăn, khả năng sinh trưởng và phát triển... Trong nhiều trường hợp người ta thấy có mối liên quan chặt chẽ giữa tính di truyền với các chỉ số enzyme này. Trong thú y việc định lượng hai enzyme này trong máu có ý nghĩa trong chẩn đoán bệnh về tim và gan. Hoạt lực hai enzyme này trong máu là hoạt lực của enzyme do tế bào bị vỡ, có hai khả năng bị vỡ, có thể mô bào phát triển mạnh thì tế bào cũ bị vỡ nhiều như trong trường hợp ung thư, hoặc có khả năng bị vỡ do bệnh lý như trường hợp bị hoại tử. Vì vậy khi xét nghiệm thấy hoạt lực GOT tăng cao thì nghi có bệnh về tim (enzyme này có nhiều ở tim), nếu GPT tăng thì nghi có bệnh về gan (enzyme này có nhiều ởgan).



4.1.3. Phản ứng khử carboxyl

Phản ứng này thực hiện bởi hệ thống enzyme decarboxylase cũng có nhóm ghép là phospho piridoxal, enzyme này có tính đặc hiệu cho từng loại acid amin. Sơ đồ phản ứng nhưsau:

COOH

C - NH2

R

+

C - NH2

R CO2Decacboxylase

Acid amin Amin hữu cơ

Quá trình khử carboxyl diễn ra ở tất cả các mô bào với cường độ biến đổi khác nhau. Các acid amin sau khi biến thành các amin tương ứng, trừ vài trường hợp còn nói chung đều có có hoạt tính sinh học cao, một số chất còn có hoạt lực dược học và có vai trò quan trọng đối với hoạt động sống cuả cơ thể. Ví dụ:

Sự biến đổi của Tyrosine:

Tyrosine Tyranin Nor adrenalin Adrenalin

Adrenalin và Nor adrenalin là hormone của tuyến thượng thận.

Sự biến đổi của Tryptophan:

Serotonin và melatonin là hormone của tuyến tùng điều khiển về tính dục, là "con mắt thứ ba" gây sinh đẻ theo mùa, nó nhận cảm về ánh sáng ngày ngắn, ngày dài.



Sự biến đổi của Histidin:

Histamin là chất kích thích mạnh lên tế bào thần kinh gây cảm giác đau. Ở các mô liên kết có các tế bào phì đại có các túi chứa histidin. Khi bị viêm, bị vấp ngã, các túi này vỡ giải phóng histidin, histidin bị enzyme decarboxylase tác động tạo ra histamin gây nên đau đớn. Nếu lượng hidamin quá lớn gây nên hiện tượng choáng ngất. Histamin còn gây nên hiện tượng dị ứng (nọc ong và một số vỏ cây có các chất có tác dụng hoạt hoá enzyme decarboxylase của histidin tạo nên histamin nên gây đau, dị ứng). Với lượng nhỏ histamin có dược tính làm tăng co bóp cơ trơn, giãn mạch quản và tăng tính thấm của thành mạch quản, gây giảm huyết áp, trong sản khoa có thể dùng nó để trợ lực co bóp cơ tử cung.

Sự biến đổi của Acid glutamic:

Decarboxylase Acid glutamic -------------------- > γ -amin butylic acid (GABA).

GABA là chất đóng vai trò quan trọng trong điều hoà hoạt động thần kinh trung ương. Nó ức chế sự dẫn truyền ở xinap. Vì lý do nào đó mà enzyme decarboxylase của acid glutamic không đủ hoặc thiếu acid glutamic, làm lượng GABA thiếu, không gây ức chế được sẽ gây nên loạn thần kinh, nhẹ là mất ngủ, ngược lại nếu GABA sinh ra quá nhiều thần kinh ởtrạng thái ức chế.

Sự biến đổi của Lyzin và Ornitin:

- CO2

Lyzin: CH2-(CH2)3-CH-COOH ------------> CH2-(CH2)3-CH2-NH2

⎢ ⎢ ⎢ NH2 NH2 NH2

Lyzin Cadaverin



- CO2

Ornitin: CH2- (CH2)2- CH- COOH ------------> CH2- (CH2)2- CH2- NH2

⎢ ⎢ ⎢ NH2 NH2 NH2

Ornitin Putrescin

Cadaverin và Putrescin là những chất hết sức độc đối với cơ thể (cadaverus là xác chết, putrus là sự thối rữa) chỉ cần 1mg putrescin tiêm vào máu sẽ làm chết một con ngựa 500kg ngay tức khắc. Chính vì độc tính của nó nên trong cơ thể không có 2 loại enzyme khửcarboxyl của 2 loại acid amin này, nó thường do vi khuẩn phân huỷ.

Nhìn chung các amin hữu cơ đều có hoạt tính sinh học ở mức độ khác nhau. Nếu ở nồng độ thích hợp thì nó là các dược liệu quý.

Các amin hữu cơ sau khi hết tác dụng sẽ được thoái hoá theo con đường khử amin và oxy hoá nhờ enzyme mono amin oxydase để tạo NH4+ và aldehydeyd. Các aldehydeyd tiếp tục oxy hoá để tạo thành acid cacboxylic và tiếp tục oxy hoá thành CO2 và H2O.

5. Sự thối rữa của protein ở ruột già do vi khuẩn

Tuỳ theo khẩu phần, tuỳ loại thức ăn mà lượng protein bị thừa đến ruột già ít nhiều khác nhau. Tỷ lệ này còn phụ thuộc vào hoạt động của enzyme tiêu hoá, sự hấp thu và bệnh đường ruột... Trong ruột già số lượng vi khuẩn rất lớn (1g phân trung bình có 17 tỷ vi khuẩn), trong đó có nhiều chủng loại khác nhau, nhiều nhất là E.coli. Người ta chia vi khuẩn ruột già làm 2 nhóm:

Nhóm vi khuẩn có ích: giúp cho cơ thể sản sinh một loạt các chất cần thiết, nhất là vitamin nhóm K, E... Đối với trâu bò, ngựa, thỏ, ngỗng còn đóng vai trò phân giải cellulose thành acid béo bay hơi và vitamin nhóm B cho cơ thể. Qúa trình này diễn ra ở manh tràng.

Nhóm vi khuẩn có hại: trong điều kiện bình thường nhóm vi khuẩn này ở trạng thái bịức chế nên nó không gây hại. Khi bị rối loạn thức ăn nó hoạt động mạnh và gây hại. Đối với thức ăn protein, tất cả các hoạt động của vi khuẩn đều gây hại, vì nó sản sinh ra các chất độc như cadaverin, putrescin, indol, scatol, phenol... Những sản phẩm này thấm qua vách ruột vào máu gây độc cho cơ thể. Cơ thể đối phó bằng cách trung hoà độc tính của nó ở gan. Gan là cơquan khử độc các chất này. Ở đây các chất này bị oxy hoá sau đó được ghép với H2SO4 hoặc với acid glucoronic tạo thành các hợp chất kép không độc và được thải ra ngoài qua nước tiểu (hình 8.7). Các hợp chất kép định lượng qua nước tiểu có tên là indican, hàm lượng indican đánh giá khả năng tiêu hoá hấp thu protein của cơ thể.



NH

NH

CH3

ONH

CH3

NH

OH

NH

O HSO3

COOH

Indol

Scatol

Indoxyl

NH

CH3

OH

Scatoxyl

Indolsulfuric

Scatoxylglucoronic

Hình 8.7. Sơ đồ chuyển hoá của Indol

6. Sự bài tiết các chất cặn bã chứa nitơ

Trong quá trình phân giải acid amin cũng như một số sản phẩm chứa nitơ khác như các base purin, pirimidin... amiac thường xuyên được hình thành, đó là những chất độc, do đó cơthể phải thường xuyên giải quyết sự ứ đọng amiac. Cách bài tiết chất cặn bã này khác nhau ởcác sinh vật. Ở loài sinh vật có cấu tạo thô sơ như amid và sống trong môi trường nước thì amiac bài tiết trực tiếp ra tế bào dưới dạng ion amoni (NH4

+). Ở những sinh vật có cấu tạo phức tạp và môi trường nước bắt đầu bị hạn chế như động vật cao đẳng sống trên cạn thì NH3

trước khi bài tiết phần lớn được chuyển sang dạng hợp chất ure, gọi là động vật bài tiết ure.

Một số động vật trong quá trình phát triển có trải qua giai đoạn phát triển trong trứng là môi trường hết sức hạn chế về nước, hơn nữa hình thức di chuyển lại là bay thì sản phẩm bài tiết chứa nitơ chủ yếu là acid uric (vì uric kém hoà tan trong nước).

Ure Acid uric

Ở động vật có vú sản phẩm bài tiết chứa nitơ gồm nhiều dạng, trong đó chủ yếu là ure (chiếm 90% sản phẩm chứa nitơ trong nước tiểu), bên cạnh ure còn có các muối amon nhưsunphat amon, oxalat amon, phosphate amon, những muối này hình thành ngay ở tế bào thận, một phần acid uric và sản phẩm phân giải của nó là alantoin.

CNH2

NH2

O N

N

N

NH

OH

OH

HO



6.1. Sự vận chuyển amiac trong cơ thể.

Tất cả các mô bào, các tế bào đều có hình thành nên amiac. Từ mô bào nó được chở tới gan và thận dưới dạng glutamin. Quá trình hình thành glutamin được thực hiện bởi enzyme glutamin syntetase:

- H2O O COOH- CH- (CH2)2- COOH + NH3 --------- > COOH- CH- (CH2)2- C ⎢ ATP, Mg++ ⎢ NH2

NH2 NH2

Acid glutamic Glutamin

Glutamin chiếm 1/5 tổng số nitơ phi protein trong máu, ở dạng này chúng được chở tới gan, thận để tổng hợp nên các sản phẩm bài tiết.

Amiac là chất độc đối với tế bào, đặc biệt là tế bào thần kinh vì khi ứ đọng nó làm thay đổi pH của môi trường bào tương, gây trạng thái kiềm, mặt khác nếu lượng amiac quá lớn, lượng α-cetoglutarat bị huy động quá nhiều làm tắc chu trình Krebs làm tế bào thiếu năng lượng.

Nhiều nghiên cứu đã chứng tỏ hiệu ứng độc lớn nhất của NH3 trong não bao gồm sựthay đổi pH của tế bào và làm cạn kiệt cơ chất của chu trình Krebs. Dạng mang proton của amonium (NH4

+) có tính acid yếu và dạng không mang proton có tính base mạnh. Khi chuyển hoá tạo nhiều NH4

+ sẽ gây nên Kiềm hoá dịch tế bào.

Ở gan và thận glutamin được sử dụng vào các mục đích sau:

Chuyển amin cho các cetoacid để tạo ra các acid amin mới.

Chuyển amin để tạo các base purin, pirimidin.

Giải phóng NH3 để tổng hợp ure, quá trình này được thực hiện ở gan.

Giải phóng NH3 để tạo các muối amon và bài tiết. Quá trình này thực hiện ở thận. Ở đây Na+ được giải phóng ra khỏi muối của nó và được tế bào thận hấp thu trở lại nhường chỗ cho NH4

+

NH4+ + NaHCO3 ------ > Na+ + NH4 HCO3

6.2. Sự tổng hợp và bài tiết ure (chu trình Ornitin)

Quá trình tổng hợp ure được thực hiện ở ty lạp thể của tế bào gan của động vật có vú, động vật ở cạn. Quá trình này được thực hiện bởi một hệ thống enzyme hoạt động liên hoàn với nhau gọi là chu trình ornitin bao gồm các phản ứng sau:



1. Tạo carbanyl phosphate do enzyme carbanyl phosphate syntetase

C = ONH2

O - P = O

CO2 + NH3

2AIP 2ADP+Pi

Carbanyl p.syntetaseOH

OH

Carbanyl photphat

2. Tạo xidrulin do enzyme ornitin carrbanyl phosphate transferase

C = ONH 2

O - P = OOH

OH

Carbanyl photphat

H2N CH COOH

(CH 2)3

NH 2

C = ONH 2

NH

(CH2)3

CH - NH 2

COOH

+

Ornitin

Xitrulin

-H3PO4

3. Ghép thêm NH3 từ acid aspartic do enzyme argino succinat syntetase



4. Phản ứng tạo arginin do enzyme arginosuccidase

5. Tạo ure do enzyme arginase ( enzyme này chỉ có ở tế bào gan động vật bài tiết ure)

Ure hình thành ở gan được đưa ra máu và được bài tiết chủ yếu qua nước tiểu, do đó trong máu bao giờ cũng có một lượng ure đang di chuyển nhất định, lượng này thay đổi ở các loài động vật, nhìn chung chúng chiếm khoảng 1/2 nhóm nitơ phi protein, tỷ lệ này ở động vật ăn thịt cao hơn động vật ăn cỏ. Ure chiếm gần 90% lượng nitơ của nước tiểu. Một phần ure được bài tiết qua mồ hôi, qua nước bọt. Ở người và ngựa ure bài tiết qua mồ hôi khá lớn. Động vật nhai lại ure nước bọt có ý nghĩa lớn vì tới dạ cỏ nó được phân giải thành amiac, amiac lại được VSV dạ cỏ chuyển hoá thành acid amin và thành protein của bản thân tế bào VSV. VSV lại là nguồn protein cho loài nhai lại, đây là chu trình chuyển hoá khép kín của nitơ ở loài nhai lại, nhờ vậy tiết kiệm được nguồn nitơ.

6.3. Sự bài tiết acid uric

Acid uric là dạng bài tiết chất cặn bã chứa nitơ chủ yếu của gia cầm, các loài chim, bò sát, nhuyễn thể. Acid uric còn có thể là dẫn xuất trực tiếp của quá trình chuyển hoá base purin

Nguồn gốc nitơ trong acid uric đều xuất phát từ NH3 do sự chuyển và khử amin (hình 8.8).

Hình 8.8. Nguồn gốc N trong acid uric



Sự chuyển hoá từ adenin:

Sự chuyển hoá từ guanin:

Acid uric là một chất kém hoà tan trong nước nên khi bài tiết nó thường ở trạng thái huyễn dịch, chất trắng trong phân gia cầm là dạng muối của acid uric. Acid uric cũng có ởnước tiểu của động vật có vú, nhưng ở đây nó chỉ là sản phẩm hết sức phụ của sự chuyển hoá base purin.

Trừ loại linh trưởng còn tất cả các loài động vật có vú khác còn bài tiết nitơ dưới dạng alantoin là sự chuyển hoá của acid uric dưới tác dụng của enzyme uriase. Phản ứng như sau:



Alantoin còn có thể bị vỡ ra thành 2 phân tử ure và acid oxalic ( COOH – COOH).

Khi bị rối loạn trao đổi aciduric, aciduric bị ứ đọng trong máu nó sẽ liên kết lại thành hạt đọng lại ở các khớp sụn gây nên bệnh gut. Acid uric thường đọng ở khớp ngón chân, ngón tay, ở dái tai, ở bể thận, nếu ở bể thận thì có thể gây sỏi thận.

Ở loài nhện sự bài tiết nitơ là guanin, ở cá mè là acid trimetyl aminoacid:

N

CH3

H3C

CH3

O

7. Chuyển hoá của các protein phức tạp.

7.1. Sự chuyển hoá của hemoglobine.

Trong phần này chúng ta chỉ xem xét sự thoái hoá hemoglobine và sự hình thành sắc tố mật. Các khía cạnh này rất hay được đề cập trong thực tế.

Đời sống trung bình của hồng cầu ở các sinh vật là khác nhau: ở người là 126 ngày, thỏ, mèo là 45-68 ngày, lợn 62-71 ngày, chó là 107 ngày và ở gà là 28 ngày. Hồng cầu bị phân giải do già hoặc do ảnh hưởng của ngoại cảnh (tác động cơ học, vấp, ngã...). Nơi phân huỷhồng cầu là gan và lách ( khi bị sốt rét, lách làm việc quá sức nên bị sưng, gây báng bụng, da bị vàng do hồng cầu vỡ nhiều, sắc tố mật tràn ra niêm mạc gây hoàng đản).

Ở gan và lách tế bào thực bào làm vỡ màng hồng cầu, hemoglobine giải phóng bị cắt một dây nối metyl (= CH -) tạo thành verdoglobin. Nếu hồng cầu bị vỡ ở máu thì verdoglobine sẽ kết hợp với haptogobin (yếu tố vận chuyển nằm trong tiểu phần β-globulin) để vận chuyển tới gan hoặc lách. Ở gan và lách haptoglobine được tách ra.

Quá trình ở gan: ở gan globin được tách ra khỏi verdoglobine và vào con đường chuyển hoá của protein. Fe+2 tách ra được liên kết với globulin tạo thành feratin và được đưa ra máu mang tên là transferin rồi chuyển tới tuỷ xương để tổng hợp nên hồng cầu mới.

Vòng pocfirin đã vỡ, dưới tác dụng của enzyme oxygenase bị mở ở Cα giải phóng CO, tách Fe+2 và nước với sự tham gia của CO2, NADPH2 để tạo thành biliverdin có màu xanh ve, đây là yếu tố tạo nên sắc tố mật. Chất này chiếm 15-20% khối lượng khô của mật người.

Biliverdin tác dụng với NH2 tạo thành bilirubin. Hai chất biliverin và bilirubin không hoà tan trong nước mà hoà tan trong lipid, là chất độc đối với cơ thể, nó ức chế thần kinh mê tẩu và kích thích các mút thần kinh. Vì lý do nào đó mà các chất này bị ứ đọng ở gan, sẽ tràn vào máu làm các niêm mạc nhiễm màu vàng gây chứng hoàng đản. Tại gan chúng được gan



khử độc bằng cách gắn vào đó acid glucoronic biến thành phức hợp bilirubin-glucoronic không độc, dễ hoà tan trong nước để bài tiết.

Phức hợp bilirubin-glucoronic được đưa ra ruột theo ống mật tới ruột già, ở đây chúng được vi khuẩn ruột già phân giải thông qua phản ứng oxy hoá - khử tạo thành mesobilinogen không màu. Mesobilinogen chuyển hoá theo hai con đường:

Một phần tạo thành stercobilinogen màu vàng theo phân ra ngoài, gặp không khí chúng bị oxy hoá thành stercobilin có mầu thâm (hình 8.9).

Một phần thấm qua vách ruột vào máu được đưa tới thận, ở đây chúng chuyển thành urobilin có màu vàng theo nước tiểu ra ngoài.

Quá trình ở lách: ở lách quá trình được chuyển đến dạng biliverdine thì được chuyển về gan khử độc.

7.2. Rối loạn chuyển hoá Hemoglobine.

Bình thường, hàm lượng bilirubin huyết thanh khoảng dưới 1mg/100ml (0,2 – 0,8mg) chủ yếu dưới dạng tự do, còn dạng liên hợp chỉ ở dạng vết.

Trong các trường hợp bệnh lý, bilirubin huyết thanh có thể lên tới trên 20mg%. Nếu bilirubin liên hợp tăng thì nó sẽ khuếch tán qua thành liên kết ra các tổ chức đặc biệt là da và niêm mạc gây vàng da vì bilirubin liên hợp tan trong nước. Nếu tăng bilirubin tự do làm vượt quá khả năng kết hợp của albumin huyết thanh, phần bilirubin còn lại sẽ tách khỏi thành liên kết và khuếch tán vào các mô và cũng vì thế gây sự lắng đọng bilirubin ở các mô chủ yếu là da và niêm mạc gây vàng da. Như vậy vàng da có thể do bilirubin tự do, cũng có thể do bilirubin liên hợp và vàng da được xếp theo 3 nhóm chính sau:

Vàng da do nguyên nhân trước gan: Mọi trường hợp tan huyết hay hồng cầu bị phá huỷhàng loạt đều làm tăng thoái hoá hemoglobine và dẫn đến tăng bilirubin tự do. Khi bilirubin tự do tăng mà gan không liên hợp hết thì dẫn đến kết quả là bilirubin toàn phần tăng nhưng tăng chủ yếu là bilirubin tự do. Trong trường hợp này nước tiểu không có bilirubin tự do (vì không tan trong nước). Sự tạo thành một lượng lớn urobilinogen và Stercobilinogen trong máu dẫn đến tăng urobilinogen trong nước tiểu và tăng Stercobilinogen trong phân.

Vàng da do nguyên nhân tại gan: trong trường hợp viêm gan do virus, tổn thương tế bào nhu mô gan làm chức năng gan bị giảm. Trong đó có chức năng liên hợp với bilirubin làm cho bilirubin tự do trong máu tăng. Đồng thời khi viêm gan các nhu mô gan bị phù nề và gây chèn ép các vi quản mật gây tắc mật làm cho bilirubin liên hợp không xuống mật và ruột, trào vào máu gây tăng cả bilirubin liên hợp. Như vậy, khi bị viêm gan thì bilirubin toàn phần của huyết thanh tăng cao cả dạng tự do lẫn dạng liên hợp. Nước tiểu trong trường hợp này có bilirubin liên hợp hay sắc tố mật, urobilinogen có thể tăng trong nước tiểu vì trong các vi quản mật urobilinogen cũng bị ứ đọng ở gan và tràn vào máu ra nước tiểu. Stercobilinogen trong phân sẽ giảm.



Hình 8.9. Quá trình thoái hoá của Hemoglobine

Vàng da do nguyên nhân sau gan. Trong các trường hợp này, quá trình tan huyết bình thường, chức năng gan bình thường nhưng mật không đổ được xuống ruột nên gây vàng da do nguyên nhân sau gan, đó là các nhóm bệnh sỏi mật, u đầu tụy, u mạc treo v.v… làm tắc ống mật chủ. Trong trường hợp này, bilirubin liên hợp bị ứ đọng trong gan, mật và trào vào máu làm tăng bilirubin huyết thanh chủ yếu là bilirubin liên hợp. Nước tiểu trong các trường hợp



này xuất hiện nhiều sắc tố mật kèm theo muối mật, urobilinogen có thể tăng do ứ trong gan và trào vào máu xuất hiện nhiều trong nước tiểu. Stercobilinogen giảm trong phân làm phân bạc màu.

8. Sinh tổng hợp protein

8.1. Ý nghĩa của quá trình

Sinh tổng hợp protein là một quá trình có vai trò quan trọng bậc nhất đối với đời sống sinh vật, vì thông qua đó các chất sống được hình thành (enzyme, kháng thể, hormone...) qua quá trình này ta hiểu được bản chất của di truyền, bản chất của loài giống, của quá trình tạo kháng thể, quá trình sinh trưởng, phát dục của động vật. Đây là một trong ba nội dung chính của sinh học phân tử hiện đại (năng lượng sinh vật, trao đổi acid nucleic và sinh tổng hợp protein). Về cơ chế sinh tổng hợp protein có 2 lý thuyết là sinh tổng hợp theo khuân mẫu và sinh tổng hợp theo hệ thống đa enzyme

8.2. Sinh tổng hợp theo khuân mẫu

Khuân mẫu để tổng hợp protein là acid nucleic, vấn đề mấu chốt của nó là tạo liên kết giữa các acid amin một cách có trình tự nhất định. Tổng hợp theo khuân mẫu có 2 bước lớn:

Bước 1 là quá trình sao chép mã di truyền.

Bước 2 là quá trình phiên dịch mã di truyền.

Nội dung chính của toàn bộ quá trình là nhằm bảo đảm thực hiện chính xác sự liên kết các gốc acid amin vào trong cấu trúc bậc I đặc trưng cho từng loại protein mà tế bào cần tổng hợp.

8.2.1. Quá trình sao chép mã di truyền

Di truyền là sự duy trì hệ thống protein từ đời này sang đời khác mà thực chất là duy trì cấu trúc bậc I của protein, tức là về trình tự liên kết và số lượng các acid amin trong chuỗi peptide. Mã di truyền được ghi chép trong DNA (ở VSV chưa có DNA thì được ghi ở RNA). Quy tắc của di truyền là một gen mã cho một protein (một nhiễm sắc thể là một DNA). Tổng số gen gọi là genom (số lượng gen). Genotyp là kiểu gen và pheotyp là kiểu hình (biểu hiện bên ngoài của kiểu gen).

Trong một mã thì 2 nucleotide đầu có ý nghĩa quyết định, nucleotide thứ 3 có thể thay đổi (điều này giải thích có 64 mã), một mã gọi là một codon. Ta có thể hình dung quá trình sao chép theo sơ đồ sau (hình 8.11).

Quá trình sao chép mã di truyền về bản chất có thể coi là quá trình sinh tổng hợp RNA thông tin (m-RNA). Quá trình này được thực hiện trong nhân tế bào ở động vật có nhân và trên DNA ở sinh vật chưa có nhân, quá trình này được thực hiện bởi enzyme RNA polimerase, muốn cho enzyme này thực hiện phải tách đôi DNA nhờ yếu tố giải xoắn và cắt dây nối, sau đó nhờ yếu tố σ (hình 8.13). Yếu tố σ bám vào một trong 2 chuỗi để cho enzyme RNA polimerase bám vào tiến hành sao chép. Trong quá trình nhân đôi DNA 2 chuỗi có giá trị như nhau, còn trong quá trình sao chép thì mỗi chuỗi có giá trị khác nhau, như vậy enzyme bám vào chuỗi nào là do yếu tố σ điều khiển theo yêu cầu cần tổng hợp protein của tế bào.



Bản mã gốc Codon Anticodon

- T - A U

- C ===> - G C

- A - U A

DNA m- RNA t- RNA

Hình 8.11. Sơ đồ trình sao chép mã di truyền

Luồng thông tin di truyền của sinh vật như sau:

ADN ARN Protein

ADN ARN Protein

( Crik, 1967)

(Temin,1970)

Quá trình sao chép từ RNA sang DNA gọi là quá trình sao chép ngược. Ở sinh vật nhân xơ (procaryote) chỉ có 1 loại Enzyme RNA polymerase phụ thuộc DNA thực hiện sự sao chép. Ở sinh vật nhân chuẩn (Eucaryote) có 3 loại RNA polymerase, mỗi loại có một chức năng riêng. Sự sao chép RNA chỉ thực hiên trên một sợi của DNA làm khuân mẫu, hướng sao chép từ 5’-P đến 3’-OH. RNA-Polymerase xúc tác tổng hợp RNA từ các ribonucleotide 5’-phosphate (ATP, GTP, UTP và CTP). Sự tăng trưởng sợi RNA bằng cách kết hợp các ribonucleotide ở đầu 3’-OH của chuỗi RNA (hình 8.12).

(MMP)n + NTP ---> (MMP)n+1 +PP

RNA Kéo dài RNA

Mỗi một nucleotide liên kết để tạo thành m- RNA được lựa chọn theo nguyên tắc bổxung gốc kiềm của Watson-Crick. Uridine (U) trong RNA đối diện với adenine (A) trong

Hình 8.12. Sự sao chép RNA



khuôn DNA, Adenine đối diện với thymine, guanine và cytosine trong DNA đối diên với cytosine và guanine trong RNA.

Sợi DNA dùng để làm khuôn cho tổng hợp DNA gọi là sợi khuôn hay sợi trừ (-).

Khác với DNA polymerase, RNA polymerase không cần mầm để khởi đầu tổng hợp. Sựkhởi đầu tổng hợp ở một đoạn đặc biệt gọi là gen khởi đầu (RNA được tổng hợp vẫn có 5’-triphosphate) ở gốc GTP và ATP trong quá trình phiên mã). Trong quá trình phiên mã tạo thành đoạn xoắn kép giữa RNA và DNA khuôn gọi là đoạn xoắn kép lai RNA-DNA (hình 8.13a). RNA trong sợi xoắn kép này sau đó được tách ra khỏi DNA.

Sự tổng hợp RNA xảy ra trên một sợi DNA, nên sợi xoắn kép DNA phải tháo xoắn, vùng tháo xoắn để phiên mã như là “bong bóng”. Ở E.coli vùng này khoảng 17 cặp base được tháo rời. Sự tháo DNA ở phía trước và cuộn lại ở phía sau. Quá trình này làm cho phân tửDNA quay đáng kể (hình 8.13b), nếu quay về phía trước chuỗi là siêu xoắn dương, và nếu quay về phía sau là siêu xoắn âm. Ở E.coli sự phiên mã với tốc độ 50 nucleotide 1giây.

Hình 8.13. Sự phiên mã bởi RNA polymerase trong E.coli



Cấu trúc và hoạt động của RNA polymerase.

Ở Ecoli RNA polymerase đơn phụ thuộc DNA tổng hợp các loại RNA khá lớn (KLPT: 390.000) phức chất Enzyme này có 5 tiểu đơn vị là lõi Enzyme và một tiểu đơn vị thứ 6 là δ(xích ma) hay δ 70 (KLPT: 70 000) nó liên kết tạm thời với một lõi và hướng dẫn Enzyme đến vị trí khởi đầu đặc biệt trên DNA, 6 tiểu đơn vị này tạo thành holoEnzyme RNA polymerase (hình 8.14)

Tiểu đơn vị

Yếu tố δ còn gọi là yếu tố khởi động (yếu tố mồi) gắn vào RNA polymerase để nhận biết mã (codon) khởi đầu sao chép. Khi bắt đầu sao chép nó sẽ tách rời yếu tố ρ (rô) còn gọi là yếu tố kết thúc. Khi kết thúc thì yếu tố ρ được giải phóng (hình 8.15). RNA polymerase trượt trên DNA để tổng hợp RNA theo hướng 5’p đến 3’OH. Đến vị trí kết thúc, yếu tố ρ gắn vào RNA polymerase để nhận biết mã kết thúc sau đó yếu tố ρ được giải phóng, RNA polymerase tách khỏi sợi khuôn DNA.

β’

α ω

β

α δ

Lõi Enzyme

KLPT: α - 36.500, β - 151.000, β’ - 155.000 ω - 11.000, δ - 70.000. Tiểu phần β được cho rằng là vị trí xúc tác tổng hợp m- RNA

Hình 8.14. HoloEnzyme RNA polymerase.



Vùng khởi động:

Sự khởi đầu tổng hợp m-RNA trên phân tử DNA là vùng đặc biệt, ở vùng đó phân tửRNA polymerase liên kết với DNA và được gọi là gen khởi đầu. Ở vi khuẩn gen khởi đầu là 2 đoạn ngắn với khoảng 10 và 35 cặp base. m-RNA luôn luôn tạo ra AUG khởi đầu, phía trước AUG có 1 đoạn không ghi mã cho protein nào cả, chỉ để gắn vào ribosome (hình 8.17).

DNA trong tất cả các tế bào, các mô bào trong một cơ thể đều giống nhau, nhưng ở mỗi mô bào tuỳ theo chức năng của nó mà một đoạn gen nào đó được hoạt động. Đây là cơ sở của quá trình nuôi cấy tế bào cho phát triển thành một cơ thể và là cách giữ giống tinh khiết nhất.

Sau khi sao chép xong sẽ tiến hành việc sửa cắt các phần không có nghĩa thành m-RNA hoàn chỉnh rồi được đưa ra tế bào chất cùng với riboxom để tổng hợp protein.

Cấu trúc của m-RNA khi mới tổng hợp như sau ( hình 8.16).

Intron

G7PPP --- CAP------ ------- ----------polyA

Extron

Hình 8.16. Mô hình cấu trúc của m-RNA khi mới tổng hợp.

Trong đó: G7 là đầu 5’P có G được metyl hoá ở vị trí 7 và có 3 gốc phosphate. CAP (mũ) là đoạn polyme gắn với protein điều tiết quá trình sao chép. Intron là đoạn vô nghĩa. Extron là đoạn có nghĩa. Codon kết thúc là UAG, UAA, UGA.



Hình 8.17. Các giai đoạn trong sự khởi đầu phiên mã bởi RNA polymerase ở E.coli



8.2.2. Quá trình phiên dịch mã.

Đây là quá trình chuyển nội dung của ngôn ngữ acid nucleic m-RNA sang ngôn ngữ của acid amin. Thực chất của quá trình này là tổng hợp chuỗi peptide trên khuân mẫu của m-RNA. Quá trình này bao gồm một số giai đoạn sau:

8.2.2.1. Hoạt hoá acid amin

Mọi chất muốn đi vào chuyển hoá đều phải được hoạt hoá, enzyme thực hiện quá trình hoạt hoá acid amin là aminoacyl-t-RNA-syntetase, còn gọi là codase. Codase có tính đặc hiệu rất cao tới hàng đồng phânquang học. Codase có 2 trung tâm hoạt động, quá trình hoạt hoá acid amin ( hình 8.19). Quá trình diễn ra làm 2 bước:

b/ Chuyển aminoacyl sang t-RNA tương ứng: Sau khi hoạt hoá acid amin, enzyme codase tìm trong tế bào loại t-RNA tương ứng và gắn acid amin vào đó, tạo thành phức hợp đi vào riboxom. (Trong tế bào ít nhất có 20 loại t-RNA tương ứng với 20 acid amin). t-RNA có cấu tạo hình cỏ 3 lá (3 thuỳ) khoảng 68-100 gốc base, có đuôi 3’OH bao giờ cũng là C-C-A, acid amin sẽ được gắn vào đuôi này (gọi là thuỳ acid amin), có một thuỳ gồm AGC là nơi bám vào riboxom, một thuỳ có TΨ C (Timin Pseudo uridine Cytidin) giúp cho t-RNA nhận biết riboxom đang hoạt động cần acid amin nào và một thuỳ giữa có 3 base là anticodon (hình 7.18).



Hình 7.18. Mô hình cấu trúc của t-RNA

Quá trình chuyển aminoacyl sang t-RNA tương ứng theo phản ứng như sau:

Aminoacyl-AMP + t-RNA tương ứng -- > AMP + Aminoacyl-t-RNA (hình 7.19)



Hình 8.19. Sơ đồ hoạt hoá acid amin



8.2.2.2. Tạo phức hợp khởi đầu

Các thành viên của phức hợp khởi đầu:

Riboxom là tiểu thể có ở khắp mọi nơi tổng hợp protein của tế bào. Về cấu tạo: riboxom là một phức hợp gồm RNA + protein, kích thước có hình méo mó, đường kính gần 200A0

gồm 2 tiểu phần, một tiểu phần lớn 50S ở nhóm Prokaryoter (VSV và ty lạp thể của sv cao đẳng) và 60S ở nhóm Eukaryoter (sinh vật nhân chuẩn) và tiểu phần nhỏ tương ứng là 30S hay 40S (hình 8.20). Khi 2 tiểu phần này gắn với nhau tạo thành riboxom hoạt động 70S hay 80S. Loại 70S r-RNA chiếm 65%, loại 80S là 50%, phần protein chủ yếu là histon và protamin, khối lượng phân tử loại 70S là 1-2 triệu dalton, loại 80S là 4-5 triệu dalton.

Trong tế bào ở trạng thái nghỉ, 2 tiểu phần tách rời nhau, ở trạng thái hoạt động 2 tiểu phần liên kết với nhau thành một khối, sự liên kết này theo kiểu bản lề. Mặt tiếp xúc giữa 2 tiểu phần là nơi thực hiện tổng hợp protein, trên đó có 2 khu vực. Ở tiểu phần 30S có một khu vực hình thành bởi 17 protein và r- RNA gọi là trung tâm A, đây là nơi diễn ra quá trình tiếp nhận aminoacyl-t-RNA từ tế bào chất vào. Ở tiểu phần 50S có một khu vực có cấu tạo bởi 7 protein và 7 r-RNA gọi là trung tâm D ( hay trung tâm P) giữ vai trò đón nhận đoạn peptidyl đang được hình thành từ A sang, mỗi lần tạo liên kết peptide mới thì từ đây đoạn peptidyl này sẽ được đưa sang khu vực A, đặc biệt ở khu vực này có protein ký hiệu M11 làm nhiệm vụchuyển peptide (có chức năng của enzyme transpeptidase).

Ngoài ra còn có rất nhiều cation cần cho hoạt động của riboxom như Mg++, Mn++, NH4+

và một loạt các poliamin như spermin, spermidin, nó cần cho sự ổn định cấu trúc giữa RNA với protein trong riboxom.

Về chức năng hoạt động, riboxom hoạt động trong tế bào giống như một cái máy chứkhông phải mang tính chất enzyme (tức là có sự chuyển dịch trong không gian).

Để tham gia quá trình tạo phức hợp còn có một loạt các yếu tố khởi đầu: ở tế bào chưa có nhân (Prok) gồm các yếu tố IF1 khối lượng 8000 dalton, IF2 75.000 dalton, IF3 30.000 dalton (IF: Imidiaton factor: sáng kiến, mở đầu). Ở tế bào có nhân (Euk) là M1, M2, M3.

Khi có tín hiệu tổng hợp protein thì IF3 bám vào tiểu phần 30S, tại chỗ mà ribosome 30S tiếp xúc với Ribocom 50s, nó làm thay đổi cấu trúc của tiểu phần 30S, tạo điều kiện cho IF2 bám vào và tạo thành phức hợp gồm I F 2 – Met - t-RNAi

Mct – GTP, I F3, Ribosome 30S (hình 8.21)

Phức hợp trên gắn với m-RNA tạo phức hợp tiền mở đầu. IF1 và protein gắn mũ – CBP (cap binding protein) giúp việc đặt thông tin trên ribosome 30S đúng hướng của mũ ở đầu 5’P. Trong quá trình này ATP thủy phân để quét thông tin đến vị trí trên ribosome 30S. Sựquét thông tin tiến hành từ đầu 5’P qua khoảng xấp xỉ 100 nucleotide trên bộ ba AUG. Thông thường thì bộ ba đầu tiên AUG được sử dụng là mã mở đầu để phiên dịch nhưng đôi khi các nucleotide ở đoạn phụ cận không phù hợp cho sự mở đầu thì phải đến mã AUG tiếp theo.

Như vậy IF1 vào làm cho m-RNA và aminoacyl-t-RNA đầu tiên bám vào trung tâm A.

Aminoacyl đầu tiên bao giờ cũng là Met đã được phocmyl hoá. Việc phocmyl hoá có tác dụng bịt kín nhóm -NH2 tránh không gây nhầm lẫn trong việc tạo liên kết peptide đầu tiên,



ở động vật có nhân không cần quá trình này vì hoạt động của nó đã định hướng rõ rệt (hình 8.22).



Hình 8.20. Cấu trúc của Ribosome

Hình 8.21. Giai đoạn mở đầu tổng hợp protein ở tế bào chưa có nhân

CH2 - S - CH3

⎢

CH2

⎢ CH C=O NH - CHO

O - t- RNA Hình 8.22. Focmyl metionin

Hình 8.20. Cấu trúc của ribosome



Khi focmyl MET vào thì GTP vào và IF3 ra lúc này IF2 hoạt động nó phân giải GTP thành GDP + Pi và năng lượng. Năng lượng này được dùng vào việc đẩy IF1 ra ngoài và gắn chặt 2 tiểu phần 30S và 50S với nhau, đẩy m-RNA lên 1 bước (1 codon), IF2 ra ngoài và Met focmyl được chuyển từ 30S sang 50S ( từ khu vực A sang khu vực P) (hình 8.21).

8.2.2.3. Quá trình kéo dài chuỗi peptide

Quá trình này cần các yếu tố sau:

Yếu tố kéo dài bao gồm: EF-Tu, EF-Ts (ở VSV); TF1(ở tế bào có nhân) các yếu tố này dùng cho liên kết.

Yếu tố đổi chỗ EF-G (ở VSV); TF2 (ở tế bào có nhân).

Quá trình diễn ra theo chu kỳ gồm 3 bước sau:

Liên kết: Từ tế bào chất các aminoacyl-t-RNA lần lượt đi vào riboxom nhờ yếu tố vận chuyển EF-Tu (hay TF1), chúng tạo thành phức hợp EF-Tu- GTP-aminoacyl-t-RNA. Phức hợp này đi vào khu vực A của 30S, EF-Tu giúp cho việc liên kết định hướng cho aminoacyl-t-RNA với codon của nó đồng thời với vai trò enzyme phân giải GTP cho năng lượng. Năng lượng này giúp cho aminoacyl -t-RNA bám chắc vào codon, sau đó EF-Tu và GDP+ Pi đi ra ngoài, EF-Tu muốn hoạt động trở lại phải chịu tác dụng của EF-Ts và năng lượng của GTP (hình 8.24).

Chuyển peptide: nhờ hoạt động của nhóm protein M11 ở khu vực P nó đẩy acid amin vào trước (F.Met hoặc cả đoạn peptidyl) từ khu vực P sang khu vực A của tiểu phần 30S và một liên kết peptide được hình thành ở đây. Ở khu vực P chỉ còn lại t-RNA, quá trình này không tốn năng lượng. Kết quả của bước chuyển này là một liên kết peptide được hình thành ở khu vực A, t-RNA được giải phóng ở khu vực P.

Đổi chỗ: đòi hỏi yếu tố đổi chỗ EF-G (hay TF2) và năng lượng của GTP. Khi EF-G bám vào riboxom nó phân giải GTP cho năng lượng, năng lượng này cần để đẩy t-RNA ở khu vực P ra ngoài và toàn bộ tảng peptidyl -t-RNA từ khu vực A sang khu vực P, đồng thời m-RNA dịch lên một codon, có nghĩa là ở khu vực A của 30S lại xuất hiện một codon mới ứng với một acid amin mới sắp đưa vào (hình 8.23).

Quá trình được tiếp diễn như vậy, trong quá trình đó riboxom liên tiếp được đóng mởgiống như một máy giập, mỗi lần giập thì một acid amin lại được gắn vào chuỗi peptide. Quá trình này tuỳ theo số lượng acid amin của phân tử protein đang được tổng hợp.

8.2.3. Giai đoạn kết thúc

Các yếu tố kết thúc: RF1, RF2, RF3 đây là những protein có khối lượng phân tử trung bình 40.000 dalton. RF3 có chức năng xúc tác RF1, RF2. Khi chuỗi peptide đã hình thành xong ứng với phân tử protein mà tế bào cần tổng hợp thì m-RNA cũng đã được đọc gần hết và quá trình bước vào giai đoạn kết thúc, trên khu vực A xuất hiện các codon kết thúc UAA, UAG, UGA. Từ tế bào chất các yếu tố kết thúc được đưa vào riboxom, RF1 nhận biết được UAA, RF2 nhận biết được UAG và chúng đều nhận biết được UGA. Các yếu tố này giúp cho quá trình nhận biết được codon kết thúc, dưới tác dụng xúc tác của RF3 các yếu tố RF1, RF2, hoạt động và liên kết este của acid amin cuối cùng bị cắt đứt, chuỗi peptide rời khỏi riboxom,



t-RNA cuối cùng rời khỏi khu vực P và m-RNA rời khỏi riboxom, 2 tiểu phần của riboxom tách ra khỏi nhau (hình 8.25).

Chuỗi peptide được cắt bỏ nhóm phocmyl do enzyme dephocmylase rồi sau đó cắt bỏđầu đuôi thành chuỗi peptide hoàn chỉnh, nhờ các liên kết, liên kết nhánh của các acid amin và các ion Mn++, NH+... chuỗi peptide tự động tạo thành cấu trúc bậc II, III...

Hình 8.23. Giai đoạn kéo dài chuỗi polypeptide ở tế bào có nhân



Hình 8.24. Vai trò của (EF1) trong chu trình kéo dài.



Hình 8.25. Giai đoạn kết thúc và tách rời.



8.2.4. Chuỗi polypeptide gấp lại và hoàn thiện.

Chuỗi polypeptide sau khi được tổng hợp sẽ trải qua một quá trình phản ứng gọi là sựbiến đổi sau sao chép. Ở cả tế bào không nhân và có nhân, sự biến đổi bao gồm các quá trình sau đây:

Đổi đầu C và N tận cùng. Trong quá trình tổng hợp chuỗi polypeptide đều được mở đầu bằng F- Met ở tế bào không có nhân và Met ở tế bào có nhân. Nhóm formyl, Met và thông thường thêm một số acid amin ở đầu N và đầu C bị tách rời bởi Enzyme.

Mất một đoạn dấu hiệu (đoạn trình tự tín hiệu), khoảng 15-30 acid amin ở đầu N của một số protein đóng vai trò định hướng cho protein đó đến chỗ giành cho nó trong tế bào. Dấu hiệu này được tách khỏi nhờ peptidase đặc hiệu.

Sự thay đổi acid amin cá thể. Nhóm OH của một vài acid amin như Ser, Tre và Tyr của một vài protein được phosphoryl hoá nhờ ATP. Việc thêm nhóm phosphate làm cho polypeptide mang điện âm. Ví dụ casein của sữa có nhiều nhóm phosphate gắn với Ca+2. Tuy nhiên, sự phosphoryl hoá của Tyr ở một số protein lại có liên quan đến sự chuyển hoá tế bào bình thường thành ung thư.

Nhóm carboxyl cũng được gắn thêm vào Asp, Glu của một vài protein, ví dụprothrombine chứa nhiều carboxyglutamate, tại đó mang điện tích âm và gắn với Ca+2 nhờ đó có tác dụng làm đông máu. Một vài protein có Lys được methyl hoá bởi Enzyme. Mono và dimethyllysine có mặt trong một vài protein của cơ và Cytocrom C.

Gắn thêm chuỗi Carbonhydrat. Việc gắn này xảy ra trong hoặc sau quá trình tổng hợp chuỗi polypeptide. Vị trí gắn có thể ở Asn, Ser hoặc Tre.

Gắn thêm nhóm Isoprenyl. Các protein có sự biến đổi này thường là các oncogen và proto-oncogen (các chất gây ung thư và tiền ung thư).

Gắn thêm nhóm phụ. Các protein gắn thêm nhóm phụ tạo thành các protein có hoạt tính sinh học, ví dụ biotin trong acetyl CoA carboxylase hoặc Hem trong cytochrom C.

Hoàn thiện bằng cách phân giải: Đó là trường hợp của các zymogene hay Insuline.

Sự tạo thành liên kết chéo disulfide. Các protein đi ra ngoài tế bào có nhân sau khi gập lại một cách tự động, thường liên kết chéo đồng hoá trị do sự tạo thành các cầu disulfide giữa Cys ở trong hoặc giữa các chuỗi. Quá trình này chống sự biến tính của protein ở môi trường ngoài tế bào.

8.3. Tổng hợp protein ở ty lạp thể.

Đa số các protein ở ty lạp thể được tổng hợp ở bào tương và được ghi thành mã trên DNA. Nhưng một số protein, một vài t-RNA, r-RNA được ghi thành mã trong gen của ty lạp thể. Midochondria có thể tổng hợp protein độc lập có RNA polymerase, aminacyl- t-RNA synthe-tase, t-RNA và các ribosome riêng biệt.

Quá trình tổng hợp protein ở Midochondria cũng giống như các quá trình tổng hợp protein đã mô tả. Song cũng có một vài khía cạnh đáng lưu ý. Các thành phần như: t-RNA, aminacyl –t-RNA synthetase, ribosome, các tiểu phần tạo thành ribosome v.v.. thì số lượng t-RNA ít hơn, bộ mã cũng có một số điểm khác biệt. Ribosome của Midochondria thì nhỏ hơn, r-RNA ngắn hơn của bào tương và của tế bào không nhân. Phức mở đầu tổng hợp protein ở ty



lạp thể cũng là f.Met-t-RNA. Tuy nhiên việc hiệp đồng sự tổng hợp protein trong Midochondria với sự tổng hợp protein ở bào tương sẽ được đề cập tới ở phần Midochondria.

8.4. Điều hoà tổng hợp protein.

8.4.1. Điều hoà hoạt động của RNA polymerase.

RNA polymerase gắn vào DNA mở đầu cho sự sao chép ở một đoạn đặc biệt trên DNA được gọi là Promotor. Promotor ở gần vị trí RNA bắt đầu tổng hợp trên DNA khuôn. Sự điều hoà mở đầu sao chép là mối quan hệ giữa RNA polymerase và promotor. Ở tế bào không nhân nhiều gen được điều hoà trong một đơn vị gọi là OPERON. Một Operon bao gồm 2 vùng: Vùng điều hoà và các gen cấu trúc. Các gen cấu trúc là những đoạn làm khuôn để sao chép các m-RNA. Vùng điều hoà gồm Promotor, operator và các vị trí điều hoà.

Sau mở đầu sao chép được điều hoà bởi sự kết hợp của protein với promotor. Có thểchia thành 3 loại protein điều hoà sự mở đầu sao chép bởi RNA polymerase.

Yếu tố đặc hiệu làm thay đổi tính đặc hiệu của RNA polymerase để gắn vào hoặc rời khỏi promotor.

Yếu tố kìm hãm gắn vào Promotor, ngăn chặn sự gắn của RNA polymerase vào Promotor.

Yếu tố hoạt hoá gắn promotor, tăng cường hoạt động của RNA polymerase.

Nghiên cứu đầu tiên về sự điều hoà tổng hợp protein Enzyme là ở gen galactosidase ởBacteria cho phép Bacteria đồng hoá lactose (hình 8.26).

Hình 8.26. Cơ chế điều hoà tổng hợp ββββ Galactosidase



Cơ chế điều hoà Operon Tryptophan.

E.Coli được nuôi cấy trong môi trường có Tryptophan thì E.Coli không tổng hợp Try. Nếu môi trường nuôi cấy không có Try hoặc có một lượng Try không tương xứng với nhu cầu, Operon Try hoạt động bình thường, Try được tổng hợp, còn trong môi trường nuôi cấy có nhiều Try thì Try gắn vào repressor làm thay đổi cấu hình repressor, lúc này repressor lại gắn vào operator, vị trí này gối lên promotor và sự gắn của repressor ngăn cản sự gắn của RNA polymerase 5 gen cấu trúc không hoạt động để sao chép ra các m-RNA mã hoá cho các Enzyme tổng hợp Try (hình 8.27).

Ngoài hai cơ chế trên còn có cơ chế làm suy yếu sự sao chép và cơ chế SOS (cấp cứu ngừng ngay sự sao chép).

Hình 8.27. Cơ chế điều hoà tổng hợp tryptophan ở E.Coli.

8.4.2. Protein điều hoà.

Các protein điều hoà có các tính chất sau:

Có khả năng cố định trên DNA ở gần gen cấu trúc.



Có khả năng ngăn chặn hoặc hoạt hoá sự sao chép của các gen cấu trúc bằng cách thay đổi hoạt động của RNA polymerase.

Có thể trả lời những tín hiệu xuất phát từ ngoài hoặc trong tế bào. Nhờ đó mà các operon không hoạt động hoặc hoạt động sao chép ra các m-RNA. Có nhiều dạng cấu trúc của protein điều hoà.

8.4.3. Điều hoà hoạt động gen ở tế bào có nhân.

Ở các tế bào có nhân cũng như tế bào không nhân, sự mở đầu sao chép từ một điểm điều hoà hoạt động của gen. Ở các tế bào có nhân thường điều hoà bằng cách tăng cường hoạt động. Trước hết, sự hoạt động sao chép là kết hợp giữa nhiều sự thay đổi trong cấu trúc của chromatin (chất nhiễm sắc) trong vùng sao chép. Thứ hai là thông qua những yếu tố điều hoà dương và âm đã biết. Thường thì điều hoà dương chiếm ưu thế. Và thứ ba là có sự khác biệt về mặt vật chất giữa quá trình sao chép xảy ra trong nhân tế bào với quá trình phiên dịch xảy ra ở bào tương.

Một protein điều hoà có thể tác động lên nhiều gen và mỗi gen lại có thể chịu ảnh hưỏng của nhiều protein điều hoà. Các protein điều hoà nhận biết chính xác DNA và cố định vào DNA nhờ các dạng cấu trúc đặc biệt của nó tạo thành các vùng cố định. Tại đó các protein điều hoà sẽ liên kết với các vị trí tương ứng trên DNA bằng những liên kết yếu nhưliên kết Hydrogen, lực ValderVal... Trong các vùng tác động, chính vùng này hoạt hoá RNA polymerase.

9. Sự hoàn thiện phân tử protein sau khi đươc tổng hợp.

Một số protein sau khi ra khỏi Ribosome đã có hoạt tính. Tuy nhiên, nhiều protein lại cần sự biến đổi sau phiên dịch. Những biến đổi này là kết quả của sự hoạt hoá để trở thành dạng có chức năng trong thành phần của các bào quan trong tế bào. Chúng ta cũng đã thấy rằng cấu trúc bậc một của protein đã được xác định ngay từ giai đoạn sao chép (giai đoạn tổng hợp các RNA thông tin). Cấu trúc ấy của protein đáp ứng như một cơ chất chịu tác động của các enzyme chuyển hoá, hoặc điều khiển đến các bào quan của tế bào như tế bào chất, ty lạp thể, nhân hoặc bài tiết ra ngoài tế bào. Đối với các protein tế bào chất thì đơn giản vì chính ởđó chúng được tổng hợp. Còn với các protein khác chúng thường biến đổi theo cách cắt ngắn và được vận chuyển tới các vị trí riêng trong tế bào. Sự vận chuyển này liên quan tới một protein định hướng. Yếu tố quan trọng nhất của sự định hướng là một đoạn ngăn trật tự sắp xếp của các acid amin cuối N của chuỗi polypeptide mới được tổng hợp được gọi là trật tựtín hiệu (TTTH) (hình 8.28).



Chức năng của TTTH đã được David Sabatini và Gunter Blobel giới thiệu từ năm 1970. TTTH có tác dụng chỉ đạo protein đến đúng vị trí trong tế bào và được rời khỏi trong quá trình vận chuyển hoặc khi protein đã đến nơi dự định.

10. Sự biến đổi của một số protein xuất ngoại.

Protein dành cho xuất ngoại được tổngn hợp trên ribosome màng lưới nội chất có hạt. Sự tổng hợp của chúng bắt đầu trên ribosome bào tương tự do. Các giai đoạn của sự tổng hợp diễn ra theo cách thông thường. Protein bài tiết có chứa một đoạn TTTH. Đoạn TTTH được hình thành ở lưới nội bào ER. Nó đánh dấu sự chuyển vị trí vào phần lumen (khoang) của ER. Các TTTH được sắp xếp luôn luôn ở gần đầu cuối N của protein. Trong quá trình tổng hợp, đoạn đó thoát khỏi Ribosome sớm hơn. Có khoảng hơn 100 đoạn TTTH đã được xác định. Đoạn TTTH thường có chiều dài khoảng 15-36 acid amin, trên đó có các đoạn đặc trưng khoảng 10-15 acid amin kỵ nước, một hoặc nhiều hơn acid amin tích điện dương thường ở gần đầu cuối N đứng trước các acid amin kỵ nước và một đoạn ngắn về phía đầu cuối C (vị trí cắt) là các acid amin ngắn như Gly, Ala (hình 8.29 a,b).

Hình 8.29 a. Tổng hợp và bài xuất protein tiết

Hình 8.29 b. Tổng hợp protein màng sinh chất

Đoạn TTTH được tổng hợp trên Ribosome gắn vào ER. TTTH là công cụ trong việc định hướng Ribosome vào ER. TTTH xuất hiện sớm trong quá trình tổng hợp vì nó ở gần đầu cuối N. Khi TTTH thoát khỏi Ribosome thì TTTH và Ribosome tự nó nhanh chóng gắn với dấu hiệu nhận biết phân tử –Signal recognidion particle (SRP). SRP được tạo thành do 6 protein khác nhau và phân tử RNA 7S. SRP chỉ gắn tạm thời trong quá trình tổng hợp protein. Khi peptide có khoảng 70 acid amin thì ngừng gắn. SRP cũng gắn với Ribosome. Toàn bộ phức hợp này được gắn với



Receptor. SRP và Receptor Ribosome trên bề mặt của ER. Chuỗi polypeptide mới sinh được giao cho phức hợp chuyển vị trí peptide trên ER. SRP rời khỏi Ribosome và tiếp tục một chu kỳ mới.

Phức hợp chuyển vị trí nuôi dưỡng cho chuỗi polypeptide phát triển kéo dài trong lumen của ER.TTTH bị tách rời bởi enzyme thuỷ phân tín hiệu ở trong lumen của ER. Ở trong lumen, protein mới sẽ biến đổi theo các con đường riêng: Tạo thành các liên kết disulfide cũng như nhiều protein sẽ glucid hoá (hình 8.30).

Hình 8.30. Đưa protein màng đã chuyển hoá vào màng lưới nội chất. (a)protein màng có thể cắt bỏ đuôi tín hiệu cuối N và đuôi Stop- transfer; (b) protein màng type II đuôi tín hiệu cuối N không được loại bỏ; (c) protein màng type III có đuôi tín hiệu multiple và Stop- transfer.

11. Sự Glucid hoá của protein.

Quá trình này xảy ra trong lưới nội bào và trong phức hợp Golgi. Sự glucid hoá này quan trọng vì 2 lý do: Thứ nhất nó làm thay đổi hoạt tính sinh học, thay đổi tính hoà tan, tính ổn định và tính chất vật lý của protein. Thứ hai chính nhóm carbohydrate của glucoprotein cũng có tác dụng như một dấu hiệu nhận biết vị trí mà protein đó định vị. Sự glucid hoá không phụ thuộc vào bộ ba mã di truyền. Vị trí glucid hoá phụ thuộc vào những acid amin thích hợp trên phân tử protein và đặc tính của enzyme với cơ chất được glucid hoá. Sự glucid hoá protein có nhiều loại glycosyltraspherase tham gia (khoảng trên 100).

Trong protein được glucid hoá các oligosaccharide thường được liên kết với protein thông qua Asn. Các liên kết N- oligosaccharide được hình thành bằng nhiều cách, nhưng có chung bước đầu tiên: 14 đơn vị oligosaccharide bao gồm 2 phân tử N- acetyl glucosamine, 9 manose, 3 glucose được vận chuyển từ dolichol phosphate mang đến từng phân tử Asn trên protein.

oligosaccharide được gắn vào nhóm phosphate của phân tử dolichol phosphate bằng cách gắn lần lượt, gắn từng monosaccharide. Thể oligosaccharide hoàn thiện nhờ hệ thống enzyme transferase vận chuyển từ dolichol phosphate sang protein. Các transferase nằm trên mặt lumen của



ER và chúng không xúc tác quá trình glucid hoá các protein của bào tương. Sau khi vận chuyển vào trong lumen thể oligosaccharide được sắp xếp và tiếp tục biến đổi bằng các con đường khác nhau với các protein khác nhau, nhưng tất cả những liên kết N- oligosaccharide vẫn được duy trì (hình 8.31, 8.32).

Hình 8.31. Tổng hợp oligosacchoride gắn N trên chất mang dolichol phosphte ở màng RER.



Hình 8.32. Chuyển Oligosaccharide tới protein và các quá trình xa hơn xảy ra trên RER và Golgi.

Protein rời khỏi ER đến phức hợp Golgi trong các nang chuyên chở. Trên phức hợp Golgi, các liên kết O-oligosaccharide được hình thành và liên kết N- oligosaccharide được biến đổi. Bằng những cơ chế này các protein biến đổi phù hợp để cuối cùng giữ đúng như dự định.

Trong phức hợp Golgi, các protein được chuyển ra cho các tế bào bên ngoài qua màng bào tương hoặc lysosome. Hai cách vận chuyển khác nhau này được phân biệt trên đặc điểm cấu trúc không gian ba chiều của protein, khác với TTTH đã được tách rời trong lumen của ER. Quá trình phân biệt protein được biết rõ ràng đối với Hydrolase, protein vận chuyển đến lysosome. Cấu trúc ba chiều của Hydrolase đôi khi được gọi là dấu hiệu ghép nối, được nhận biết bởi Phosphotransferase, enzyme xúc tác sự phosphoryl hoá một vài mannose trong enzyme của oligosaccharide . Sự có mặt của một hoặc nhiều mannose –6- phosphate trong liên kết N-oligosaccharide là dấu hiệu cấu trúc chính nó hướng protein đến lysosome. Receptor protein trên màng của phức hợp golgi nhận biết dấu hiệu mannose –6- phosphate này và gắn với hydrolase tạo thành phức Receptor –hydrolase.Những nang chứa phức hợp Receptor –hydrolase chuyển từ Cis sang Trans của phức hợp Golgi, bằng con đường đó đến nang phù hợp.Tại đây phức hợp Receptor –hydrolase bị tách rời do pH thấp trong các nang và bởi sự tách rời nhóm phosphate của mannose –6-phosphate dưới tác dụng của phosphatease. Receptor quay trở lại phức hợp Golgi và nang chứa hydrolase từ nang tương ứng vào lysosome. Như vậy đối với hydrolase liên kết N- oligosaccharide đóng vai trò chìa khoá trong việc định hướng enzyme này tới lysosome (hình 8.33).



Hình 8.33. Tổng hợp và định hướng protein Lysosome

12. Các protein đi vào ty lạp thể.

Các protein được tổng hợp trong bào tương trên các ribosome tự do, sau đó được chuyển vào ty lạp thể. Các protein mới được tổng hợp được coi như một tiền thân, có phân tử lớn. TTTH ở cuối N cung cấp dấu hiệu cho protein đến ty lạp thể thì chưa được xác định hoàn toàn, nhưng nó giầu acid amin có nhóm OH và thường thiếu các acid amin có tính acid. TTTH này được nhận biết bởi Receptor của ty lạp thể có khả năng nhờ sự giúp đõ của yếu tố nhập khẩu (import factor). Các protein được chuyển vị trí qua cả hai màng vào trong Matrix (chất nền), sau đó các protein rời khỏi TTTH nhưng trật tự các acid amin còn lại không thay đổi. Một ví dụ protein đi vào ty lạp thể theo kiểu này là Cytocrom b2. Còn Cytocrom C thì lại khác, nó không được tổng hợp dưới dạng một tiền thân có phân tử lớn, nhưng lại có TTTH nằm trong cấu trúc của Cytocrom C. Phần apoprotein này nằm gần mặt ngoài của màng và đi vào phần giữa hai màng. Liên kết đồng hoá trị với Hem và sựthay đổi cấu trúc làm cho nó không quay trở lại bào tương (hình 8.34).



Hình 8.34. Chuyển protein tới chất nền của ty thể13. Các protein nhân tế bào.

Nhân tế bào nhận nhiều protein để cấu tạo riêng cho nhân và cho các quá trình sao chép DNA.Ở màng nhân có các lỗ cho phép các protein phân tử nhỏ đi qua. Các protein đều có đoạn TTTH đặc biệt định hướng protein vào trong nhân tế bào. Đoạn TTTH này rất giầu lysine và Arginine. Các Histon và Nucleosome được điều hoà bởi một protein gọi là Nucleoplasmine. Các protein khác có thể được giữ lại trong nhân bởi sự tạo thành những phức hợp trong các bào quan. Đoạn TTTH định hướng cho protein đến nhận, ví dụ trật tự các acid amin (-Pro-Lys-Lys-Arg –Lys –Val-) nằm trong cấu tạo phân tử không bị tách rời. Dấu hiệu này cho phép protein như DNA polymerase, RNA polymerase vào trong nhân nhanh chóng qua các lỗ của nhân.

Câu 1: Đặc điểm trao đổi protit ở động vật cao đẳng? Câu 2: Sự tiêu hoá và hấp thu protit ở động vật? Câu 3: Hãy kể một số enzym tiêu hoá protit ở động vật? Câu 4: Phản ứng khử amin (-NH2)? ý nghĩa của phản ứng này? Câu 5: Phản ứng chuyển nhóm amin (-NH2) trong axít amin? Vai trò của phản ứng này đối với sự sống của sinh vật? Câu 6: Phản ứng khử nhóm carboxyl (-COOH) trong axít amin? Nêu vai trò của phản ứng này? Câu 7: Vòng Ornitin và vai trò sinh học của nó?

Câu 8: Trình bày quá trình hoạt hoá và tạo phức hợp khởi đầu trong quá trình tổng hợp protit theo khuân mẫu? Câu 9: Trình bày quá trình kéo dài chuỗi peptit và kết thúc trong sự tổng hợp protit theo khuân mẫu?



CHƯƠNG IX

MIỄN DỊCH HỌC

Sự sống trên trái đất phát triển theo quy luật "cạnh tranh", đây cũng là động lực của quy luật tiến hoá, cho nên tất cả mọi cơ thể đều bị tấn công liên tục bởi cơ thể khác. Để đáp ứng lại các xâm nhập, cơ thể động vật đã phát triển nhiều chiến thuật bảo vệ khác nhau. Các vi sinh vật và vi rút khi vào được bên trong cơ thể đã gây ra nhiều bệnh cho cơ thể. Cơ thể động vật đã trải qua sự tiến hoá cách thức bảo vệ phức tạp của mình mà chúng ta hiểu đó là hệ thống miễn dịch. Miễn dịch theo tiếng Latinh là immunis có nghĩa là được miễn (ví dụ miễn dịch đối với các bệnh đậu mùa, sởi... khi đã trải qua mắc lần đầu hay đã được tiêm phòng vaccin).

Các mầm bệnh (Pathogen) trước hết vi phạm hàng rào vật lý là da và màng nhầy, ở đây, nó được phân biệt là vật xâm nhập từ bên ngoài và nó sẽ bị tiêu diệt. Trong phạm vi chương này chúng ta sẽ bàn về hệ thống miễn dịch và sự nhận diện các vật xâm nhập từ bên ngoài vào cũng như sự phân biệt chúng với các thành phần bình thường của cơ thể, rồi tiêu diệt nó như thế nào. Hệ thống miễn dịch và hệ thống thần kinh của động vật có xương sống luôn luôn phát triển tương xứng với nhau.

1. Hệ thống miễn dịch của cơ thể (các dạng đáp ứng miễn dịch).

Có 2 hệ thống miễn dịch, đó là hệ thống miễn dịch tế bào và hệ thống miễn dịch dịch thể.

Miễn dịch tế bào (Cellular Immunity) là sự chống lại các tế bào đã bị thâm nhiễm Virus, ký sinh trùng, các mô lạ thông qua tác động trung gian của các tế bào lymphocyte.

Miễn dịch thể dịch (Humoral Immunity) Humor là thuật ngữ cổ của thể dịch (Fluid), nó có hiệu ứng nhất trong việc chống lại sự thâm nhiễm của vi khuẩn và Virus, nó được tác động trung gian bởi rất nhiều dẫn xuất chọn lọc của các protein có liên quan được hiểu là kháng thể hay là các globulin miễn dịch (Immunoglobulin - Ig). Các kháng thể được tạo ra từ các tế bào B, ở động vật có vú, các tếbào này đã được chín (mature) ở trong tuỷ xương.

1.1. Hệ thống miễn dịch tế bào (Cellular Immunity).

Đây là cách chống lại các tế bào, vật lạ xâm nhiễm vào cơ thể như vi rút, vi khuẩn... thông qua bản thân tế bào có khả năng gây miễn dịch đặc hiệu, nghĩa là tế bào kết hợp với những kháng nguyên tương ứng được gắn trên một tế bào khác.

Tính miễn dịch của động vật có xương sống là do những dạng xác định của tế bào máu chọn lọc đó là các lymphocyte. Chúng được sinh ra như tất cả các tế bào máu bắt nguồn từ các tế bào tiền thân thông thường (tế bào nguồn) ở tuỷ xương. Tuy nhiên các tế bào lymphocyte khác hẳn với các tế bào hồng cầu, nó có thể rời khỏi dòng máu đi vào khoảng không nội bào nơi có các tác nhân bên ngoài xâm nhập, đồng thời chúng có thể quay trở lại mạch huyết quản.

Có 2 loại lymphocyte: lymphocyte T và lymphocyte B

1.1.1. Lymphocyte T.

Lymphocyte T được sinh ra ở tuỷ xương, di chuyển về tuyến ức (thymus) và thành thục ở đây, sau đó vào máu, một ít vào hạch lâm ba. Lymphocyte T thành thục chưa có khả năng miễn dịch, sau khi được kháng nguyên kích thích, nó được hoạt hoá trở thành tế bào lymphocyte T mẹ, đi vào lách hoặc hạch lâm ba, ở đây chúng tăng sinh trở thành lymphocyte T có khả năng miễn dịch rất mạnh. Vềchức năng, người ta chia lymphocyte T ra thành mấy loại sau:



Tế bào lymphocyte T hiệu ứng (effetor T, ký hiệu là Te hay còn gọi là lymphocyte giết- Killer T (Tk): chúng có tác dụng trực tiếp tham gia miễn dịch tế bào, có khả năng phá huỷ, phân giải vật lạ, tếbào ung thư.

Tế bào lymphocyte T hỗ trợ (Helper T Cell ký hiệu TH ): có tác dụng hiệp đồng với bạch cầu đơn nhân lớn, xúc tiến hoạt hoá tế bào lymphocyte B.

Tế bào lymphocyte T ức chế (Suppesor T ký hiệu TS): có vai trò ức chế và hoạt hoá tế bào lymphocyte B và các tế bào T khác, tham gia điều hoà miễn dịch.

Tế bào lymphocyte T nhớ (Memory T ký hiệu Tm): có đời sống dài, nên khi gặp kháng nguyên mà nó đã tiếp xúc thì tăng sinh và đáp ứng miễn dịch mạnh.

Lymphocyte T có quan hệ mật thiết với bạch cầu đơn nhân. Bạch cầu đơn nhân thực bào kháng nguyên, phân giải kháng nguyên và tiết vào máu những mảnh phân tử miễn dịch, gây kích hoạt tế bào lymphocyte T. Đôi lúc kháng nguyên (KN) kết hợp kháng thể (KT) ngay trên bề mặt tế bào đơn nhân lớn, sau đó tiếp xúc với tế bào lymphocyte T, truyền thông tin miễn dịch cho tế bào lymphocyte T.

Người ta đã phát hiện ở lymphocyte T hỗ trợ và lymphocyte T ức chế một số chất có tác dụng đối với lymphocyte như:

TSF(Thymus stimuleative factor): Yếu tố kích thích tế bào tuyến ức.

TcGF(T cell growth factor): Yếu tố sinh trưởng tế bào T.

Về sau người ta đặt tên cho những yếu tố này là interlukin-II (iL-2). Những chất này có tác dụng làm tăng sinh sản tế bào T, iL-2 có tác dụng hoạt hoá tế bào B, tế bào T.

1.1.2. Lymphocyte B.

Lymphocyte B được sinh ra ở tuỷ xương, thành thục ở đây hoặc ở túi huyệt (Bursa Fabricius) của gia cầm. Chức năng chính của các lymphocyte B là sinh ra các kháng thể dưới sự kích thích của lymphocyte T.

Có một số đại thực bào (tế bào dạng bạch tuộc ở lách và hạch lympho, tế bào Langerhans ở dưới da, tế bào Kuffer ở gan) làm nhiệm vụ bẫy và tập trung KN. Phần lớn các KN đều bị các đại thực bào bắt và xử lý, sau khi xử lý các KN, đại thực bào có nhiệm vụ trình diện các KN cho lymphocyte T.

Sự đáp ứng miễn dịch tế bào được hình thành do sự có mặt của các phân tử lạ, các protein và acid nucleic mà chúng ta hiểu là kháng nguyên (antigen).

Quá trình này xảy ra thông qua một sery phức tạp của các tương tác trung gian giữa các dạng tếbào T với các tế bào B gắn đặc hiệu một kháng nguyên (hình 9.1). Đáp ứng miễn dịch tế bào dẫn đến sự huỷ hoại các tế bào "phạm tội". Nó được bắt đầu khi một đại thực bào(macrophage) (1a, 1b) xử lý một kháng nguyên lạ, khi đã được tiêu hoá một phần đai thực bào phơi bày các mẫu kháng nguyên trên bề mặt của nó (3a, 3b). Người ta cho rằng ở đó các mẫu kháng nguyên được gắn với một trong hai dạng protein bề mặt tế bào, đó là phức hợp hoà hợp tổ chức chính - Major Histocompatibility Complex (MHC) (được gọi như thế vì chúng được phiên mã từ một dẫy gen MHC). MHC rất đa dạng (có nhiều allele). Các cá thể phân biệt với nhau bởi protein MHC. Vì thế MHC là các marker của các cá thể.

Protein MHC lớp I có mặt trên bề mặt của tất cả các tế bào có nhân của động vật có xương sống. Đại thực bào (Macrophage) có protein MHC lớp I được nhận biết bởi các Receptor của tế bào T (T Cell Receptor), các Receptor này có trên bề mặt của các tế bào



Hình 9.1. Các con đường Đáp ứng miễn dịch (Marrack và Kappler 1086)

T gây độc chưa chín (Immature Cytotoxic T Cell). Để gắn với Macrophage đã phơi bày kháng nguyên trên bề mặt, các Receptor này phải tạo được phức đặc biệt giữa kháng nguyên với Protein MHC lớp I (4a). Dĩ nhiên không có một phân tử đơn lẻ nào lại có thể làm được việc này. Cũng bằng cách tương



tự, các Macrophage có mang trên mình những mảnh kháng nguyên tạo phức với Protein MHC lớp II lại được gắn với các tế bào T giúp đỡ chưa chín (Immature Helper T cell - TH) có mang các Receptor cùng họ (Cognate Receptor) (4b). Chính vì hệ thống nhận biết phức tạp này trên bề mặt tế bào T đã tránh lãng phí cho hệ thống miễn dịch tế bào không tác động trên các đích không phải là tế bào (hình 9.1).

Các tế bào T gắn với phức Macrophage đã phơi bày kháng nguyên và Protein MHC sẽ tạo cảm ứng dây truyền, một quá trình được hiểu là sự lựa chọn dòng (Clonal selection) lần đầu tiên Niel Kaj Jerne, Macfarlane Burnet, Joshua Lederberg và David Talmadge đã mô tả vào những năm 1950. Kết quả là chỉ những tế bào T nhận dạng đặc hiệu các kháng nguyên xâm nhập thì mới được sản xuất với số lượng lớn. Sự lựa chọn dòng xảy ra là do một macrophage khi gắn với một tế bào T sẽ giải phóng ra một yếu tố có tên là Interleukin (5a, 5b) nó kích thích đặc hiệu các tế bào T làm tăng sinh và biệt hoá (6a, 6b). Quá trình này cũng được kích thích bởi một chất tự tiết (autostimulatory secretion) của tế bào T gọi là Interleukin 2 (hình 9.1).

Chỉ có các tế bào T tạo ra được Receptor với Interleukin 2 thì mới gắn được với Macrophage (7a, 7b) vì vậy nó tránh được sự tăng sinh không hạn chế của tế bào T. Tuy nhiên, một số lượng lớn các tế bào T độc tế bào đã chín (8a) thì các Receptor của chúng lại là đích đặc hiệu cho các tế bào túc chủ phơi bày cả kháng nguyên lạ và cả protein MHC lớp I, điều này được xảy ra sau vài ngày khi kháng nguyên xâm nhập lần thứ nhất. Các tế bào T gây độc tế bào hay còn gọi là các tế bào T giết (Killer T): Chúng gắn với các tế bào túc chủ mang kháng nguyên (9) và ở thời điểm tiếp xúc nó giải phóng ra một protein FO - KD gọi là Perforin nằm trên các tế bào đích (10) tạo nên các lỗ trên màng tương bào (hình 9.1).

Chức năng chủ yếu của hệ thống miễn dịch tế bào là ngăn ngừa sự trải rộng của sự thâm nhiễm Virus bằng cách giết các tế bào túc chủ đã bị thâm nhiễm Virus (Các protein bao lấy Virus thường được phơi bày trên bề mặt của một tế bào động vật trong những giai đoạn muộn hơn của sựthâm nhiễm Virus). Miễn dịch tế bào cũng có tác dụng chống lại sự thâm nhiễm của nấm, ký sinh trùng và những dạng ung thư xác định. Nhưng một thực tế là chức năng sống của hệ miễn dịch tế bào đã trở nên yếu kém hơn vì trong những năm gần đây có sự trải rộng của AIDS (Acquired Immuno Deficiency Syndrome: triệu chứng thiếu hụt miễn dịch mắc phải) mà tác nhân gây nên là HIV (Human Immunodeficiency Virus: Virus gây thiếu hụt miễn dịch cho người), Virus này đã tác động bằng cách tấn công đặc hiệu vào Helper T Cell. Hệ thống miễn dịch tế bào cũng gặp nhiều khó khăn với các thuốc hiện đại không có trong tự nhiên chẳng hạn thuốc tránh sự loại trừ mô và các tổ chức ghép từcác donor bên ngoài. Những tổ chức ghép được nhận biết như một chất lạ vì chúng có protein MHC khác với Protein MHC của túc chủ. Để khắc phục sự loại trừ mảnh ghép chỉ có cách là phát triển các thuốc kìm hãm miễn dịch (Immunosuppressant) như Cyclosporin A và FK506, những chất này chỉ kìm hãm đáp ứng miễn dịch nhưng không làm cho cơ thể mất sự bảo vệ trước các mầm bệnh khác.

1.2. Hệ thống miễn dịch thể dịch (Humoral Immunity).

Miễn dịch thể dịch là cách miễn dịch do các tế bào miễn dịch tiết kháng thể vào máu. Những kháng thể này sẽ kết hợp với kháng nguyên tương ứng. Đây là cách miễn dịch có hiệu ứng nhất trong việc chống lại sự xâm nhiễm của vi khuẩn, vi rút..., nó được tác động trung gian bởi rất nhiều dẫn xuất chọn lọc của các protein có liên quan được hiểu là các kháng thể hoặc các globulin miễn dịch (Immunoglobulin - Ig), các kháng thể này thường là do tế bào lymphocyte B sản sinh ra trước sự kích thích của helper T cell.

Các tế bào B có cả Immunoglobulin cũng như protein MHC lớp II (4c) trên bề mặt của chúng. Nếu một tế bào B chạm trán với một kháng nguyên gắn vào một Immunoglobulin đặc biệt của nó thì sẽ tạo một phức (12) và kháng nguyên được tiêu hoá một phần (13) để lộ các đoạn (fragment) trên bềmặt của phức hợp với protein MHC lớp II (14). Các tế bào T giúp đỡ đã chín (8b) có mang các Receptor đặc hiệu với phức hợp này sẽ gắn vào tế bào B (15) và khi đáp ứng thì giải phóng các Interleukin kích thích sự tăng sinh và biệt hoá tế bào B (16). Sự phân chia tế bào còn tiếp tục cho đến



khi các tế bào B được kích thích bởi helper T Cell (17), các helper T Cell lại phụ thuộc vào sự có mặt liên tục của kháng nguyên (1b - 8b) (hình 9.1).

Hình 9.2. Đáp ứng miễn dịch sơ cấp và thứ cấp

Hầu hết hậu duệ của tế bào B là các tế bào plasma (18) các tế bào này chuyên hoá tiết ra một lượng lớn kháng thể đặc hiệu kháng nguyên. Kháng thể gắn với các kháng nguyên (19), vì thế có thể đánh dấu nó bằng sự phá huỷ theo kiểu Phagocytosis (được tiêu hoá bởi bạch cầu gọi là thực bào) hoặc theo kiểu hoạt hoá hệ thống bổ thể (một dẫy các protein tác động trung gian làm tan tế bào và gây các phản ứng viêm cục bộ).

Các tế bào B và T thường chỉ sống vài ngày trừ phi nó được kích thích bởi kháng nguyên thích hợp. Tuy nhiên, sự tăng sinh của tế bào B lại bị giới hạn bởi các tương tác của chúng với T ức chế (Ts) - cũng là một hậu duệ của lympho T nhưng có chức năng đối nghịch với helper T Cell.

Một nét rất đặc trưng của hệ miễn dịch là một sinh vật rất hiếm khi bị nhiễm 2 lần với cùng một mầm bệnh giống nhau hoàn toàn, điều đó có nghĩa là sự phục hồi sau sự thâm nhiễm của một mầm bệnh làm cho con vật miễn dịch với mầm bệnh đó. Cái được gọi là đáp ứng miễn dịch thứ cấp này được tác động trung gian bởi các tế bào T nhớ sống lâu hơn (11) và các tế bào B sống lâu (20) khi chạm trán lại với các kháng nguyên cùng họ, có thể 10 ngày sau thì nó tăng sinh rất nhanh và ồ ạt so với các tế bào T và B còn "trinh" (những tế bào chưa hề chạm trán với kháng nguyên) (hình 9.1 và 9.2).

Đặc tính này của hệ miễn dịch đã được nhận ra ngay từ thời xa xưa. Một nhà sử học người Hy Lạp tên là Thucydides đã ghi chú trên 200 năm nay rằng: "Những người ốm khi được điều trị khỏi thì không bị mắc lại lần thứ 2 thứ bệnh đó".

1.3. Hệ thống Miễn dịch là hệ thống tự dung nạp.

Hầu hết các đại phân tử sinh học đều có tính kháng nguyên. Vì thế để tránh sự huỷ hoại hệthống miễn dịch, động vật phải phân biệt rõ giữa kháng nguyên của mình và kháng nguyên lạ. Quá



trình này được lựa chọn một cách tuyệt đối. Đối với động vật có xương sống có tới hàng mười ngàn các đại phân tử khác nhau mà mỗi đại phân tử lại có vô số các vị trí kháng nguyên khác biệt.

Vậy cơ chế của sự tự dung nạp là gì ? Như ta đã biết hệ thống miễn dịch của động vật trở nên hoạt hoá quanh thời điểm được đẻ ra. Nếu một kháng nguyên lạ được cấy vào phôi trước lúc đẻ thì động vật không có khả năng tạo miễn dịch chống lại kháng nguyên đó. Rõ ràng là hệ thống miễn dịch đã loại đi những dòng tế bào B hoặc T đã nhận dạng được các kháng nguyên có mặt đúng thời điểm mà hệ miễn dịch trở nên hoạt hoá (lựa chọn dòng). Tuy nhiên, lại có rất nhiều dòng mới của lymphocyte mà mỗi dòng lại có một bộ gần như độc quyền về các quyết định kháng nguyên được phát triển lên trong đời sống của động vật. Như vậy tự dung nạp phải là một quá trình tiến triển. Người ta đã hiểu rất rõ về cơ chế của quá trình này, nó xảy ra ở tuyến ức. Chỉ những tế bào T “trinh” có mang các Receptor gắn với protein MHC nhưng không có ái lực với kháng nguyên của mình thì mới được chọn lọc di truyền. Như vậy, chỉ có một bộ phận rất nhỏ lymphocyte được tạo ra bởi tuyến ức là rời liên tục khỏi tổ chức đó. Nhưng thỉnh thoảng hệ miễn dịch cũng mất dung nạp với một vài kháng nguyên của mình, kết quả là gây ra các bệnh tự miễn ví dụ bệnh nhược cơ trầm trọng (Myasthenia Gravis), một bệnh tự miễn trong đó cơ thể tạo ra các kháng thể chống lại các Receptor của Acetylcholin của cơ, xương (Acetylcholin là một chất dẫn truyền thần kinh (neurotransmitter) làm cho co cơ), kết quả là làm cơ bị yếu ở thời kỳ phôi cũng như các giai đoạn tiếp theo của đời sống sinh vật. Cũng tương tự như vậy những người mắc bệnh lupus ban đỏ hệ thống (systemic lupus erythematosis) là một bệnh viêm thường xảy ra ở thời kỳ phôi thai, cơ thể tạo ra các kháng thể chống lại nhiều thành phần tế bào của chính mình, bao gồm các protein ribonucleate và DNA. Một bệnh tự miễn thường gặp khác là bệnh khớp (hệ miễn dịch tấn công vào các chỗ khớp nối của mô liên kết), hay bệnh đái tháo đường phụ thuộc Insulin (Insulin-dependent diabetes mellitus) và bệnh đa sơ cứng (multiple sclerosis).

2. Cấu trúc và chức năng của kháng thể (Immunoglobulin).

Kháng thể do Kitasato tìm ra năm 1890 và ông đã định nghĩa KT là globulin miễn dịch (Immuno globulin ký hiệu là Ig ). Kháng thể là thành phần của sự bảo vệ thể dịch luôn luôn có trong huyết thanh của động vật và được tổng hợp nhiều khi gây miễn dịch nhân tạo cũng như khi có bệnh truyền nhiễm. Bản chất của KT là một nhóm globulin làm nhiệm vụ thực hiện cơ chế " đáp ứng miễn dịch "

Cấu trúc của kháng thể: Theo Gerald Edelman và Rodney Porter, hầu hết các Immunoglobulin và các khối cấu trúc cơ bản của nó đều bao gồm 2 chuỗi nhẹ và 2 chuỗi nặng.

Chuỗi nhẹ (Light chain) kí hiệu L có khoảng 214 acid amin. Chuỗi nhẹ có 2 dạng là K (Kappa) và λ (lamda), có khối lượng khoảng 23 KD

Chuỗi nặng ( Heavy chain) kí hiệu H có khoảng 446 acid amin, có khối lượng khoảng 75 KD. Chuỗi nặng có 5 loại:

M (Muy) tương ứng có kháng thể IgM

G (Gamma) tương ứng có kháng thể IgG

D (Delta) tương ứng có kháng thể Ig D

E (Espilon) tương ứng có kháng thể Ig E

A (Alpha) tương ứng có kháng thể Ig A

Tương ứng có 5 lớp Immunoglobulin.

Các subunit gắn với nhau qua các liên kết disulfide cũng như hình thành các tương tác không đồng hoá trị. Kỹ thuật Electron Micrograph cho thấy nó là các dimer (L - H)2 hình chữ Y (Hình 9.3, 9.3b). Immunoglobulin là các glyco protein; ở mỗi chuỗi nặng có một oligosaccharide.



Ở người có 5 lớp Immunoglobulin (Ig) được ký hiệu là IgA, IgD, IgE, IgG và IgM. Chúng khác nhau bởi các dạng chuỗi nặng tương ứng là α, δ, ε, γ và μ (bảng 9.1). Có 2 dạng chuỗi nhẹ là κ và λ. Các lớp IgD, IgE và IgG chỉ tồn tại ở dạng dimer (L - H)2. Còn IgM là pentamer (hình 9.4a), IgA có thể là monomer, Dimer và Trimer của các dimer này (Hình 9.4b). Các Unit dạng dimer của các multimer được gắn với nhau bởi liên kết disulfide và gắn với một protein ∼ 20 - KD gọi là chuỗi J (Joining chain). IgM của tế bào B cũng có dạng Monomer gắn với màng. Đó là vị trí gắn kháng nguyên của IgM monomer để tạo cho IgM đáp ứng miễn dịch thể dịch.

Bảng 9. 1. Phân loại các lớp Globulin miễn dịch của người.

Lớp Chuỗi nặng Chuỗi nhẹ Cấu trúc dưới đơn vị

Khối lượng phân tử

IgA α κ or λ (α2κ2)nJa

(α2κ2)nJa

360 - 720

IgD δ κ or λ δ2κ 2

δ2λ 2

160

IgE ε κ or λ ε2κ 2

ε2λ 2

190

IgGb γ κ or λ γ2κ 2

γ2λ 2

150

IgM μ κ or λ (μ2κ2)5J

(μ2λ2)5J

950

Về cấu trúc của kháng thể:

Năm 1959, Porter chỉ rõ rằng, IgG - lớp Ig phổ thông nhất khi bị phân cắt bởi papain ở phần bản lề thì người ta được 2 đoạn Fab (Antigen binding Fragmet): đoạn gắn với kháng nguyên và một đoạn Fc (Crystalizable Fragmet): đoạn kết tinh. Đoạn Fc bao gồm các đoạn cuối C của hai chuỗi nặng (Hình 9.3a, 9.3b,). Fc có vai trò quan trọng, tuy không làm nhiệm vụ gắn kháng nguyên nhưng Fc có khảnăng gắn với tế bào khác và làm hoạt hoá tế bào nó gắn. Đoạn Fc chứa các vị trí effector thực hiện chức năng thực bào, tạo phức với bổ thể và hướng sự vận chuyển của các Ig tới các vị trí tác động của chúng. Fc có receptor để gắn vào bổ thể, đồng thời Fc còn có vai trò làm nhiệm vụ thoái hoá (phân giải Ig khi kết thúc nhiệm vụ).



Hình 9.3a. Cấu trúc của phân tử Immunoglobulin (theo Dr Landry)



Hình 9.3b. Cấu trúc của phân tử Immunoglobulin (theo Mike Clark, 1994).

Trong phân tử Ig phần chuỗi nhẹ (L) lại chia làm 2 phần: phần biến đổi (Variable) kí hiệu là VL và phần cố định (Constant) kí hiệu là CL. Ở chuỗi nặng cũng được chia thành 2 phần: phần biến đổi (Variable) kí hiệu là VH và phần cố định (Constant) kí hiệu là CH. Phần biến đổi nằm trong đoạn Fab, nó có thể biến đổi cho phù hợp tương ứng với KN mà nó cần tác dụng (hình 9.3a, 9.3b, 9.4a, 9.4b).

Chức năng của kháng thể: Những lớp Ig tiết khác nhau có các chức năng sinh lý khác nhau.

IgM có nhiều trong máu, có hiệu ứng nhất đối với việc chống lại sự xâm nhập của các vi sinh vật. Đó là một Ig được tiết ra đầu tiên trong đáp ứng với một kháng nguyên; nó được tạo ra sau 2 đến 3 ngày khi cơ thể chạm trán lần đầu tiên với kháng nguyên.

IgG là Ig phổ thông nhất, nó được phân phối đồng đều trong máu và trong các dịch kẽ. Chỉ có kháng thể này mới qua được nhau thai (qua Receptor mediated endocytosis) vì thế nó cung cấp tính miễn dịch cho phôi. IgG được tạo ra sau 2 đến 3 ngày khi IgM xuất hiện lần đầu tiên.

Hình 9.4a. Cấu trúc của Ig M

Hình 9.4b. Cấu trúc của IgA

IgA có nhiều trong đường tiêu hoá và trong các chất tiết như nước bọt, mồ hôi, nước mắt. IgA chống lại sự xâm nhập của các Pathogen bằng cách gắn với các vị trí kháng nguyên của chúng do vậy khoá chặt các quá trình gắn với bề mặt ngoại biên. IgA cũng là một kháng thể chủ yếu của sữa và sữa đầu. Vì thế nó giúp cho trẻ sơ sinh chống lại các pathogen xâm nhập bằng đường ruột.



IgE thường có mặt trong máu với nồng độ thấp, nó có tác dụng chống lại ký sinh trùng và có liên quan đến các phản ứng dị ứng.

IgD cũng có mặt trong máu với liều lượng thấp, chức năng của Ig này chưa rõ.

Çc vïng cè ®Þnh vµ çc vïng cã thÓ biÕn ®æi cña chuçi nÆng vµ chuçi nhÑ cña kh¸ng thÓ.

§Ó x¸c ®Þnh ®Æc tÝnh cña mét ph©n tö, ®iÒu cÇn thiÕt lµ ph¶i cã ®−îc çc ph©n tö tinh khiÕt. §ßi hái nµy lµ mét trë ng¹i lín ®èi víi çc nhµ miÔn dÞch häc. Khi mét con vËt tiÕp xóc víi mét kh¸ng nguyªn ®Æc biÖt nã h×nh thµnh v« sè dßng tÕ bµo plasma, mçi dßng tæng hîp mét Ig g¾n kh¸ng nguyªn kh¸c nhau chót Ýt. V× thÕ kh¸ng thÓ lµ kh«ng ®ång nhÊt. Tuy nhiªn, trë ng¹i nµy ®� ®−îc ®Èy lui vµo ®Çu nh÷ng n¨m 1960 khi ph¸t hiÖn ra nh÷ng c¬ thÓ cã multi myeloma - mét tÕ bµo plasma ung th−, nã tæng hîp mét l−îng lín çc mÉu ®¬n cña Ig cã tªn lµ Myeloma protein. Mét sè myeloma t¹o ra mét l−îng thõa çc chuçi nhÑ, khi nã ®−îc tiÕt vµo trong n−íc tiÓu th× gäi lµ protein Bence - Johnes (sau khi Henry Bence Johnes ph¸t hiÖn lÇn ®Çu tiªn vµo n¨m 1847).

Çc ®u«i aminoacid cña mét vµi protein Bence Johnes cã chøa 214 gèc, ng−êi ta ph¸t hiÖn ra r»ng sù kh¸c nhau vÒ ®u«i (tr×nh tù) gi÷a çc chuçi nhÑ lµ ë nh÷ng nöa cuèi N cña chóng. Vïng cã thÓ biÕn ®æi cña chuçi nhÑ cã çc gèc tr¶i tõ 1 ®Õn 108, ®−îc gäi lµ vïng biÕn ®æi (Variable) ký hiÖu lµ VL. Cßn vïng cè ®Þnh bao gåm çc gèc tõ 109 ®Õn 214 ®−îc gäi lµ vïng cè ®Þnh (Constant) ký hiÖu lµ CL

(H×nh 9.3a, 3b,). Còng t−¬ng tù nh− vËy, khi so s¸nh víi chuçi nÆng myeloma cã 446 gèc th× thÊy tÊt c¶ çc tr×nh tù ®Òu kh¸c nhau tõ gèc 1 ®Õn 125. V× vËy chuçi nÆng còng cã vïng biÕn ®æi VH vµ vïng cè ®Þnh CH (H×nh 9.3a, 3b,).

Khi so s¸nh çc tr×nh tù cho thÊy vïng CH bao gåm 3 ®o¹n gÇn 110 gèc lµ CH1, CH2 vµ CH3 t−¬ng ®−¬ng nhau vµ t−¬ng ®−¬ng víi CL. Trªn thùc tÕ ngay c¶ tr×nh tù cña vïng cè ®Þnh vµ vïng biÕn ®æi còng cã quan hÖ víi nhau nh−ng xa h¬n so víi quan hÖ gi÷a çc thµnh viªn cña nhãm nµy. Khi quan s¸t mçi ®¬n vÞ ®ång d¹ng cã sù liªn kÕt chÐo b»ng çc cÇu disulfide ®� chøng tá r»ng cã 12 ®¬n vÞ ®ång d¹ng (homology) cña mét ph©n tö Immunoglobulin, mçi ®¬n vÞ ®−îc cuén l¹i trong mét vïng ®éc lËp. Nh− vËy râ rµng lµ çc gen cña chuçi nhÑ vµ çc gen cña chuçi nÆng ®� ®−îc tiÕn ho¸ qua sù nh©n ®«i cña mét gen gèc m� ho¸ cho mét protein ∼ 110 gèc. Ở các vùng biến đổi VL và VH phần lớn các amino acid biến đổi ở 3 trình tự biến đổi cao (hypervariable).

Elvin Kabat phán đoán rằng các trình tự biến đổi cao có liên quan với vị trí gắn kháng nguyên của Immunoglobulin và các acid amin của chúng xác định đích gắn đặc hiệu của nó.

Giải pháp của Kabat đã được các thí nghiệm đánh dấu ái lực ủng hộ. Các phân tử nhỏ hơn 5 KD ít thể hiện đích kháng nguyên, nhưng khi một nhóm hữu cơ nhỏ có tên là hapten chẳng hạn như nhóm 2, 4 dinitrophenyl (DNP), nhóm này liên kết đồng hoá trị với một protein vận chuyển (carrier) chẳng hạn như albumin huyết thanh bò (do phản ứng của Fluorodinitrobenzene với gốc Lys của nó) và sau đó được tiêm vào một con vật thì con vật này sẽ sản xuất ra các kháng thể gắn với hapten với sự có mặt của Carrier. Nếu một chất tương tự DNP chẳng hạn như p-nitrophenyldiazonium thì nó gắn với kháng thể kháng DNP nhóm diazonium tính phản ứng cao của hapten sẽ hình thành liên kết diazo với



His, Lys và Tyr chuỗi bên trong vùng lân cận của vị trí gắn DNP của kháng thể.

(DNP - hapten)

Hầu hết các chuỗi bên dẫn xuất như thực tế là các thành viên của trình tự biến đổi nhiều của kháng thể. Điều đó chứng tỏ rằng các vị trí gắn kháng nguyên liên quan với các gốc biến đổi nhiều. Đoạn biến đổi của Ig vì thế được gọi là vùng xác định bổ cứu (complementary determining regions- CDR).

Hình 9.5. Kháng thể hoá trị 2 có thể liên kết chéo với KN đa hoá trị để tạo thành mạng lưới

Các Immunoglobulin đều gập lại.

Cấu trúc của Immunoglobulin đã được David Davie, Allan Edmondson, Robert Huber, Roberto Polfak và nhiều tác giả khác xác định và mở rộng bằng phương pháp xác định cấu trúc tia X- của các đoạn Fab và Fc. IgG là một phân tử có 2 phần tương đồng hoá học, các đơn vị tương đồng của nó tạo thành các vùng (domain) tách biệt. Mỗi một vùng gắn chặt với một vùng của chuỗi polypeptide khác để cho toàn bộ phân tử được coi như là được cấu tạo bởi 6 module hình cầu, 2 module tạo nên chữ Y (vùng Fc) và 2 tạo cánh tay X2 (vùng Fab - Hình 9.3a,9.3b)

Các đơn vị Immunoglobulin đồng dạng đều có đặc tính gấp lại giống nhau (Immunoglobulin fold). Một tổ hợp bao gồm một tấm β đối song song 3 và 4 sợi liên kết với nhau bởi liên kết disulfide.



Vùng V khác với Vùng C chủ yếu bởi vòng polypeptide thêm vào nằm dọc theo tấm β 3 sợi của vùng V.

Nhờ các nghiên cứu về hoá học sinh lý và cấu trúc tia X đã cho thấy các Immunoglobulin có tính mềm dẻo cao ở giữa các đoạn. Một sự kiện đặc biệt gọi là vùng "bản lề" trong protein, đoạn polypeptide này nối với vùng Fab và Fc của nó (Hình 9.3a, 3b), tuy nhiên, những vùng này giống cái dây xích hơn là một cái bản lề (trong đó 2 góc của bản lề là ∼ 65° và ∼ 115°) đã được xác định một cách chắc chắn.

Một tổ hợp bao gồm một tấm β đối song song 3 và 4 sợi liên kết với nhau bởi liên kết disulfide. Vùng V khác với Vùng C chủ yếu bởi vòng polypeptide thêm vào nằm dọc theo tấm β 3 sợi của vùng V.

Vì cấu trúc cơ bản của Immunoglobulin phải phù hợp được với nhiều kháng nguyên vì thế tính mềm dẻo của nó đã làm thuận lợi cho việc gắn kháng nguyên bằng cách cho phép một sự thích ứng giữa các kháng nguyên và vị trí gắn của nó. Nửa phân tử có Carbohydrate của Immunoglobulin chêm giữa các đơn vị đồng dạng CH1 và CH2 làm nhiệm vụ điều hoà sự tương tác giữa các vùng Fab và Fc.

3. Kháng thể đơn dòng.

Hình 9.6. Cách tạo kháng thể đơn dòng

Mong đợi lớn nhất là thu được các Ig đồng nhất với số lượng lớn bởi một dòng lymphocyte. Nhưng thật khó là các lymphocyte lại không phát triển liên tục khi nuôi cấy. Mãi cho đến những năm 1970, Sesar Milstein và Georges Kohler đã phát triển được kỹ thuật gây miễn dịch các dòng



tế bào này (hình 9.6). Các kháng thể đơn dòng có thể thu được với số lượng không hạn chế và đặc hiệu cho hầu hết các kháng nguyên bằng cách trộn lẫn các tế bào myeloma với các lymphocyte đã được gây miễn, tức là tạo một dòng tế bào lai. Các tế bào lai này sẽ tổng hợp đươc Ig của lymphocyte nhưng lại có tính trường tồn của các tế bào myeloma.

Kháng thể đơn dòng là một công cụ không thể thiếu đươc trong y, sinh học. Chúng cũng có thể dùng để thực nghiệm và phân lập một lượng cực kỳ nhỏ của hầu hết các chất sinh học đặc hiệu, chẳng hạn như chúng ta có thể làm được các xét nghiệm Routine máu về sự có mặt của HIV để đảm bảo an toàn trong việc truyền máu.

4. Vị trí gắn kháng nguyên của kháng thể..

Cấu trúc tia X của một vài phức hợp protein Myeloma - hapten đã chỉ ra rằng vị trí gắn kháng nguyên của Ig được định vị ở đỉnh mỗi vùng Fab trong một khe nằm giữa các đơn vị VL và VH (Hình 9.3a, 9.3b, 9.7)

Hình 9.7. Vị trí gắn với kháng nguyên của kháng thểHình dạng và kích thước của khe này phụ thuộc vào trình tự aminoacid của các đơn vị VL và

VH và các bức thành được tạo nên từ 6 đoạn biến đổi nhiều (CDR,). Chẳng có gì phải ngạc nhiên là các phức hợp kháng thể - hapten cũng tương tự như các phức hợp enzyme - cơ chất. Cả 2 dạng này đều bao gồm các tương tác Valderval, liên kết kỵ nước, liên kết hydrogen và tương tác ion. Thật vậy, các phức hợp kháng thể - hapten và phức hợp enzyme - cơ chất đều có các thang tương tự về hằng sốphân ly từ 10-4 đến 10-10M, nó tương đương với năng lượng gắn từ 25 đến 65 KJ.mol-1.

Các phức hợp kháng thể - hapten là những mô hình không hoàn thiện của phức hợp kháng thể - kháng nguyên bởi vì hapten chỉ lấp đầy một phần các vị trí gắn kháng nguyên tương ứng. Tuy nhiên những kháng thể đơn dòng có thể giúp cho việc xác định cấu trúc tia X của kháng nguyên protein trong phức với các dẫn xuất Fab của các kháng thể đơn dòng kháng lại các kháng nguyên này. Chẳng hạn, như cấu trúc tia X của 3 phức hợp lysozyme lòng trắng trứng gà (Hen egg white - HEW) với các dẫn xuất Fab của các kháng thể đơn dòng anti - HEW lysozyme đã được xác nhận. Mỗi Fab đều gắn



khá độc lập và hình dáng bất thường, một đường có chiều dài ∼ 700 Ao trên bề mặt lysozyme, các chuỗi bên nhô ra của một phân tử nó rất khớp với chỗ lõm xuống của rãnh. Trong mỗi phức hợp này, tất cả 6 Fab CDR đều tham gia gắn lysozyme. Những phức hợp này rất giống các phức hợp protein - protein đã biết, nó được gắn với nhau do có sự bổ cứu cao và vì thế nó ngăn trở dung môi khỏi bị tác động bởi tương tác Valderval, các cầu nuối và các liên kết hychogen. Trong một số tương tác này, bộxương lysozyme và các chuỗi bên vẫn duy trì sự phân biệt cấu trúc, mặt khác cũng có những thay đổi cấu trúc địa phương (sự so sánh này không thể mở rộng tới lysozyme gắn Fab bởi vì vẫn chưa kết tinh được chúng).

Tính đặc hiệu cao của kháng thể anti-lysozyme đối với các vị trí kháng nguyên đã được chứng minh bởi hiệu ứng của sự thay đổi aminoacid đơn trên bề mặt tiếp xúc của lysozyme. Hằng số phân ly của Immunoglobulin kháng lysozyme HEW có tên là D1.3 với lysozyme HEW là 2,2 x 10-8M. Nhưng hằng số phân ly của kháng thể đơn dòng này với lysozyme lòng trắng trứng lại gần với hằng số phân ly của kháng thể đơn dòng với gà gô, chim cút và gà tây là > 10-5M. Trong những lysozyme này thì Gln 121 nhô ra khỏi bề mặt lysozyme HEW và trong vị trí gắn kháng nguyên của Fab nó được thay bằng His.

Vậy đặc tính đặc biệt của epitope (vị trí kháng nguyên) nơi mà kháng thể gắn vào là gì? Tất cảcác epitope lysozyme ở trên đầu gồm 14 đến 16 gốc bề mặt từ 2 hay nhiều đoạn peptide. Một số gốc này biểu lộ tính di động cao, nhưng các gốc khác thì không. Vì thế người ta chỉ thấy 3 phức hợp kháng thể - lysozyme phủ quanh một nửa bề mặt lysozyme, điều đó chứng tỏ bề mặt tiếp cận đầy đủ của một protein là sự tiềm tàng tính kháng nguyên.

Đoạn Fab đáp ứng gắn kháng nguyên như thế nào? Câu trả lời đã được xác định nhờ nghiên cứu tia X của Ian Wilson, nó phụ thuộc vào Fab và kháng nguyên đòi hỏi. Khi so sánh cấu trúc tia X của một Fab từ một kháng thể đơn dòng kháng trực tiếp 1 đoạn gồm 36 gốc của Influenza hemagglutinin riêng rẽ và phức hợp một đoạn 9 gốc của kháng nguyên thì thấy Fab gắn với ái lực cao. Điều đó vạch rõ rằng khi gắn với kháng nguyên đã làm cho Fab trải qua một quá trình sắp xếp lại cấu trúc chính - chủ yếu thông qua sự dịch chuyền cấu trúc của CDR3 chuỗi nặng. Như vậy, nếu không có sự thay đổi cấu trúc thì Fab sẽ không có khả năng gắn với kháng nguyên này ít nhất là ở cấu trúc mà nó được thừa nhận trong phức hợp này. Mặt khác, trong một nghiên cứu tia X của Wilson trên một Fab kháng lại trực tiếp đoạn Myohemerythrin 19 gốc (một Fe không hem chứa protein gắn oxygen của một ấu trùng biển) cả ở dạng đơn lẻ lẫn dạng phức hợp với kháng nguyên thì thấy Fab chỉ trải qua sự chỉnh lý cấu trúc ở một vài chuỗi chính và chuỗi bên khi gắn kháng nguyên.

Trong cả 2 phức hợp đang tiến triển này, cấu trúc của Fab gắn kháng nguyên khác hẳn với cấu trúc protein ở dạng nguyên thể. Điều này làm nổi lên tính tò mò nhưng vẫn chưa trả lời được là một kháng thể có thể gắn với peptide và với cả protein hay là dẫn xuất của peptide này như thế nào? Nếu trả lời được câu hỏi này sẽ xác định được những hiệu quả quan trọng trong việc tạo ra các vaccine cơsở peptide.

5. Sự phát sinh tính đa dạng của kháng thể.

Hệ thống miễn dịch có khả năng tạo ra kháng thể kháng lại hầu hết các kháng nguyên xâm nhập, nó có thể sản xuất dường như không hạn chế các vị trí gắn kháng nguyên khác nhau. Vậy cái gì là nguồn gốc của tính đa dạng này? Một điều chắc chắn là biểu lộ gen Immunoglobulin cũng như sự biểu hiện gen trong các chuỗi H và L rất tách biệt của các protein đã được mã hoá bởi một gen nguyên bào mầm. Nếu điều này là sự thật thì các gen này có thể phải mã hoá hàng tỷ các kháng thể khác nhau. Động vật có xương sống có khả năng tạo ra rất nhiều các gen này. Chẳng hạn như, cần phải có 103 gen chuỗi nặng và chuỗi nhẹ để mã hoá 103 x 103 = 106 Immunoglobulin khác nhau. Tuy nhiên, các nghiên cứu lai tạo sử dụng các sợi DNA đồng vị phiên mã mRNA của Immunoglobulin đã chỉ rõ rằng genome phôi chuột chỉ chứa một vài gen Immunoglobulin, điều đó khó giải thích cho mức độ đa dạng của kháng thể đã quan sát thấy trong chuột. Cuối cùng thì cái gọi là giả thuyết mầm này cũng bị gạt bỏ. Hiện nay có 2 mô hình về nguồn gốc tính đa dạng của kháng thể được coi là công nhận, đó là:



5. 1. Giả thuyết tái tổ hợp sinh dưỡng (Somatic).

Giả thuyết này do William Dreyer và Claude Bennett đề xướng năm 1965 trên cơ sở cho rằng tính đa dạng của kháng thể phát sinh bởi tái tổ hợp di truyền giữa một vài đoạn gen có liên quan mã hóa cho vùng biến đổi của Immunoglobulin. Quá trình này xảy ra thông qua quá trình tái tổ hợp bên trong nhiễm sắc thể trong thời kỳ biệt hoá tế bào B để cho mỗi dòng tế bào biểu lộ chỉ một nhưng độc quyền một Immunoglobulin.

5. 2. Giả thuyết đột biến sinh dưỡng.

Giả thuyết này cho rằng tính đa dạng của kháng thể là do tốc độ đột biến cao của gen Immunoglobulin trong lúc biệt hoá tế bào B.

Chúng ta sẽ xem xét dưới đây cả 2 cơ chế tạo nên tính đa dạng của kháng thể.

5.3. Các gen chuỗi nhẹ K được tập hợp từ 3 bộ các mẫu gen.

Các công trình nghiên cứu trình tự DNA của Leroy Hood, Philip Leder và Susumu Tonegawa đã chỉ rõ rằng các chuỗi nhẹ κ được mã hoá bởi 4 exon (Hình 9.7).

Đoạn dẫn hay đoạn LK mã hoá một peptide kỵ nước có 17-20 gốc. Peptide này được tổng hợp để đi vào mạng lưới nội chất rồi sau đó cắt khỏi mạng lưới này.

Đoạn VK mã hoá 95 gốc đầu tiên của vùng biến đổi gồm 108 gốc của chuỗi K.

Chuỗi nối (Joining) hay đoạn JK (đừng lẫn lộn với chuỗi J của IgA và IgM), mã hoá 13 gốc còn lại của vùng biến đổi.

Đoạn CK mã hoá vùng cố định của chuỗi K.

Sự sắp xếp của các extron này trong các mô của phôi người (chưa tạo được kháng thể) khác rất nhiều với họ gen đã gặp trước đây. Các đoạn LK và VK tách biệt nhau bởi một intron.

Tuy nhiên, họ gen chuỗi K cũng bao gồm một dẫy 150 các đơn vị LK - VK ∼ 400-bp, tách biệt nhau bởi một cái chêm ∼ 7 kb. Các trình tự của đôi exon này như sau theo thứ tự thấp dần: 5 đoạn JK ởtrung gian ∼ 300 bp, một cái chêm 2,4kb và một đoạn CK đơn lẻ.

Sự lắp ráp của mRNA chuỗi K là một quá trình phức tạp bao gồm cả tái tổ hợp sinh dưỡng và cảnối gen chọn lọc. Đối với chuột, bước đầu tiên của quá trình này đã xảy ra ở một tổ tiên của mỗi dòng tế bào B, đó là quá trình tái tổ hợp bên trong nhiễm sắc thể để nối đơn vị LK - VK với đoạn JK và loại bỏ các trình tự chen vào. Sau đó ở các thế hệ sau này, các gen đã biến đổi hoàn toàn được phiên mã và gấp lại một cách chọn lọc, nhờ vậy mà nối đơn vị LK - VK - JK với đoạn CK. Các đoạn LK và VK cũng gấp lại với nhau trong giai đoạn này tạo nên một mRNA mã hoá cho một trong số các thành phần của

Hình 9.7. Sự tổ chức và sắp xếp lại họ gen K ở chuột



một gen chuỗi nhẹ (Hình 9.7).

Các trình tự bảo tồn cao ở đầu 3' của mỗi đoạn VK và ở đầu 5' của mỗi đoạn JK đã chứng tỏ các vị trí tái tổ hợp sinh dưỡng đã được chọn lọc như thế nào. Đoạn VK được tiếp theo sau bởi một trình tựheptamer CACAGTG, một cái chêm 12 ± 1 Nucleotide và một nonamer giàu AT bổ cứu. Những trình tự này gắn với nhau dưới ảnh hưởng của một hệ enzyme tái tổ hợp để hình thành một cấu trúc vòng và ống tác động như một tín hiệu tái tổ hợp (Hình 9.8).

5.4. Sự mềm dẻo của tái tổ hợp tạo nên tính đa dạng của kháng thể.

Khi nối một trong số 150 đoạn VK với một trong số 5 đoạn JK có thể tạo ra chỉ 150 x 5 = 750 chuỗi K, con số này ít hơn rất nhiều so với số liệu quan sát được. Tuy nhiên, những nghiên cứu đã vạch rõ nó bao gồm nhiều sự kiện xẩy ra ở những đoạn Vk và Jk giống nhau. Vị trí tái tổ hợp V/J không được xác định một cách chính xác, hai đoạn gen này có thể nối ở các điểm bắt chéo khác nhau. Sau nữa là các amino acid được định rõ bởi các mã nằm ở vùng lân cận vị trí tái tổ hợp V/J này phụthuộc vào phần trình tự của đoạn VK và JK dòng mầm.

Như vậy, các amino acid được định rõ bởi các mã xung quanh chỗ nối tái tổ hợp tạo nên vùng biến đổi nhiều của chuỗi nhẹ ở lân cận gốc 96 (CDR3, hình 9.9). Phải thừa nhận rằng tính mềm dẻo tái tổ hợp này đã làm tăng tính đa dạng của chuỗi K lên 10 lần. Con số mong đợi về các chuỗi K khác nhau có thể lên tới 150 x 5 x 10 = 7500.

Sự nối không chính xác của V/J thường gây nên sự mất ngẫu nhiên một vài nucleotide ở cuối đoạn VK và JK. Cuối cùng, trên 2/3 sản phẩm tái tổ hợp bị đọc lệch pha (out of phase reading) vì thếtạo nên một gen mã hoá một protein vô nghĩa. Những protein này sẽ không được biểu hiện. Một tế bào trong đó một sự kiện tái tổ hợp không tạo nên sản phẩm đã xảy ra thì sẽ nỗ lực sắp xếp lại gen K xa

Hình 9.8: Họ gen K dòng mầm có chứa các heptamer và nonamer bổ cứu, kế tiếp là đoạn VK và trước đó là JK. Các trình tựnày là trung gian tái tổ hợp sinh dưỡng do việc hình thành cấu trúc vòng và ống



hơn giữa các đơn vị LK - VK còn lại, nếu tất cả các quá trình này thất bại thì sẽ sắp xếp lại gen λ. Hiện tượng này chính kiến cho sự quan sát thấy rằng các tế bào biểu hiện K thì rất hiếm thấy gen λ được sắp xếp lại. Trong khi đó, các tế bào biểu hiện λ thì không có sự thay đổi để sắp xếp lại ở các gen K. Bằng cơ chế này có thể phát hiện được các sự kiện tái tổ hợp chưa biết.

6. Các chuỗi nhẹ λλλλ.

Họ gen chuỗi nhẹ K và λ ở các nhiễm sắc thể khác nhau có sự sắp xếp lại các đoạn L, V và C ở các dòng mầm khác nhau. Ở chuột chỉ có 2 đoạn Lλ - Vλ, mỗi đoạn được theo sau bởi 1 cặp đơn vị Jλ- Cλ (Hình 9.10). Có lẽ vì thế mà chuỗi nhẹ K của chuột là 95% K và chỉ có 5% là λ. Ở người thì ngược lại, có rất nhiều đơn vị Lλ - Vλ và Jλ - Cλ so với chuột; Immunoglobulin người chứa một lượng tương đương bằng nhau giữa các chuỗi K và λ.

Hình 9.10: Tổ chức dòng mầm của họ gen chuỗi λλλλ ở chuột, Jλλλλ4 là đoạn gen giả

7. Sự lắp ráp các gen chuỗi nặng.

Các gen của chuỗi nặng được lắp ráp rất giống với các gen chuỗi nhẹ cũng bới 4 đoạn gen, nhưng lại có thêm phần diversity ∼ 13bp hay còn gọi là đoạn D nằm giữa các đoạn VH và JH.

Họ gen chuỗi nặng ở người nằm ở một nhiễm sắc thể khác với họ gen chuỗi nhẹ, nó bao gồm các cụm của 250 đơn vị LH - VH, có thể là 10 đoạn D, 6 đoạn JH và 8 đoạn CH, 1 CH cho một trong 8 lớp hay dưới lớp Immunoglobulin (Hình 9.11).

Hình 9.9: Các điểm chéo ở đó các trình tự VK và JK tái tổ hợp sinh dưỡng đã làm thay đổi một vài nucleotid vì thế tạo nên các trình tự nucleotid khác nhau trong gen K hoạt động. Ví dụ amino acid 96 ở vùng biến đổi nhiều thứ 3 của chuỗi K có thể là Ser, Arg hoặc Leu



Hình 9.11: Sự tổ chức và sắp xếp lại họ gen chuỗi nặng của người. Gia đình gen này gồm 250 đôi trình tự của các đoạn L11 và V11, tiếp theo là ~ 10 đoạn D, 6 đoạn J11 và 8 đoạn C11. Trong khi biệt hoá lymphocyte, một đơn vị L11-V11 được nối tái tổ hợp với đoạn D nằm ở bên sườn các đoạn ngắn của các trình tự ngẫu nhiên được gọi là vùng N. Ở ác tế bào B và tổ tiên của nó, sựphiên mã và nối sẽ gắn các đơn vị V11-L11-N-D-J11 với một trong8 đoạn gen C11

Các đoạn D mã hoá phẫn lõi của vùng biến đổi nhiều (hypervariable) thứ 3 của chuỗi nặng. Dọc theo sườn các đoạn VH, D và JH dòng mầm là phần tín hiệu tái tổ hợp heptamer - nonamer cũng giống như ở chuỗi nhẹ (Hình9.15). Tuy nhiên, các vị trí nối V/D và D/J của chuỗi nặng lại tuỳ thuộc vào tính mềm dẻo tái tổ hợp tương tự như ở các vị trí V/J của chuỗi nhẹ. Quá trình nối V (D) J này được điều hoà chặt chẽ, nó xảy ra theo thứ tự thời gian đặc biệt (tức là DH được nối với JH trước khi VH nối với DHJH) và theo một cách nối đặc biệt.Phải thừa nhận rằng, tính mềm dẻo tái tổ hợp đóng vai trò nhưmột yếu tố làm tăng 100 lần Diversity chuỗi nặng. Như vậy tái tổ hợp sinh dưỡng có thể tạo ra khoảng 250 x 10 x 6 x 100 = 1,5 x 106 chuỗi nặng khác nhau cho một lớp đã cho. Khi ta tính thêm số Diversity của chuỗi nhẹ K (đừng sao lãng là λ) thì nó có thể đến mức 7500 x 1,5 x 106 = 11 tỷ dạng Immunoglobulin khác nhau của mỗi lớp được tạo thành bởi tái tổ hợp sinh dưỡng giữa ∼ 400 đoạn gen khác nhau (hình 9.12)

8. Protein RAG1 và RAG2.

Các tín hiệu tái tổ hợp làm trung gian nối V(D)J (Hình 9.8) và hình (9.12) là cần thiết và đủ đểhướng dẫn cho quá trình này. Những quan sát sau này đã chứng minh rằng tất cả các phản ứng nối V(D)J đều được xúc tác bởi V(D)J Recombinase đơn được bảo tồn trong quá trình tiến hoá. Thông qua việc sử dụng kỹ thuật DNA tái tổ hợp, David Baltimore đã xác định được một gen hoạt hoá tái tổ hợp

Hình 9.12: Vị trí tổ hợp hình vòng và ống ở gia đình gen chuỗi nặng dòng mầm tác động trung gian bởi tái tổ hợp sinh dưỡng giữa các đoạn V11

và D (bên trái) và giữa D và J11 (bên phải)



(Recombination activating gene) RAG1 của người và của chuột mã hoá cho các protein bao gồm 1043 và 1040 gốc có tới 90% trình tự phân biệt. Protein RAG1 tương tự như một receptor glucocorticoid, nó bao gồm các gốc Cys gắn kim loại và vì thế không lấy gì làm ngạc nhiên, đó chính là một protein gắn DNA.

Tuy nhiên, sự có mặt của protein RAG1 đã thúc đẩy sự tái tổ hợp V(D)J, nhưng điều đó hoàn toàn chưa đủ hiệu lực. Vì thế mới dẫn tới việc phát hiện ra một gen thứ 2 được bảo tồn trong quá trình tiến hoá đó là RAG2, các sản phẩm protein của nó sẽ làm tăng sự tái tổ hợp V(D)J 100 lần cao hơn so với RGA1, gen này ở cạnh nhiễm sắc thể của RAG1.

Cần lưu ý rằng hệ thống tái tổ hợp còn đòi hỏi sự tham gia của 2 protein chưa được rõ, chẳng hạn như các sản phẩm của gen int và xis cho việc cắt DNA bacteriophage λ từ nhiễm sắc thể túc chủE. Coli bằng ly giải.

9. Đột biến sinh dưỡng. Đột biến sinh dưỡng là một nguyên nhân xa hơn của tính đa dạng kháng thể. Mặc dù rất

nhiều Diversity kháng thể được tạo ra bởi tái tổ hợp sinh dưỡng, nhưng các Immunoglobulin có liên quan nhiều với những biến đổi của đột biến sinh dưỡng với 2 dạng.

Dạng thứ nhất: Trong khi nối VH/D và D/JH thì một vài nucleotide có thể được thêm vào hoặc bị loại đi trong quá trình nối tái tổ hợp này. Các nucleotide được thêm vào này sẽ tạo nên cái gọi là vùng N, tạo nên các đơn vị NDN trên 30bp mã hoá cho rất nhiều đoạn biến đổi của chuỗi nặng bao gồm từ 0 đến 10 gốc aminoacid (Hình 9.11). Baltimore cho rằng vùng N được tạo nên thông qua sựtác động của Terminal deoxynucleotidyl Transferase, một polymerase DNA phiến độc lập có mặt ởcác tổ tiên tế bào B, enzyme này làm nhiệm vụ nối các chuỗi nặng, nhưng có thể không thấy có ở các thế hệ tế bào khi đã hình thành sự nối ở chuỗi nhẹ.

Dạng thứ 2: Những vùng biến đổi của cả chuỗi nặng và chuỗi nhẹ đều có sự biến đổi nhiều hơn, đó là cơ sở để so sánh các trình tự aminoacid với các trình tự nucleotide dòng mầm tương ứng của chúng. Thật vậy, tốc độ đột biến ở vùng này là trên 10-3 thay đổi base cho mỗi nucleotide của một thế hệ tế bào, tốc độ này cao hơn ít nhất hàng triệu lần tốc độ đột biến tự phát ở những gen khác. Tổtiên tế bào B hoặc tế bào B rõ ràng là đã có các enzyme làm trao đổi trung gian siêu đột biến sinh dưỡng (somatic hypermutation) trong các đoạn gen biến đổi của Immunoglobulin. Vì thế với tốc độnày các tế bào B nhớ được hoạt hoá làm tăng sinh do ái lực của kháng thể bề mặt của chúng với kháng nguyên, siêu đột biến sinh dưỡng được coi là sự tác động qua nhiều thế hệ để chuẩn xác kháng thể đối với một kháng nguyên đặc hiệu.

Quá trình đột biến sinh dưỡng làm tăng số lượng của các kháng thể mà con người có thể tạo ra bởi tái tổ hợp sinh dưỡng đơn với con số 11 tỷ. Con số này quả thật quá lớn, có lẽ là > 1010, nhưng thực tế có thể nó chỉ tổng hợp một lượng nhỏ các Immunoglobulin. Những biến đổi sinh dưỡng được tạo bởi tái tổ hợp và đột biến đã cho phép các cơ quan của cơ thể ghi lại theo quy luật đấu tranh sinh tồn của Darwin, với tốc độ đột biến nhanh đối với các vi sinh vật gây bệnh.

10. Sự loại trừ Allele đảm bảo cho kháng thể có tính đặc hiệu cao. Các Ig được tổng hợp bởi tế bào B, như chúng ta thấy nó bao gồm 2 chuỗi nặng và 2 chuỗi

nhẹ tương đồng. Tính tương đồng này cần thiết cho chức năng đặc biệt của hệ miễn dịch bởi vì các Ig chứa 2 dạng chuỗi nặng hoặc 2 dạng chuỗi nhẹ thì sẽ có ít nhất 2 vị trí gắn kháng nguyên khác nhau và vì thế không thể tạo được hàng rào kháng nguyên liên kết chéo. Nhưng các tế bào B cũng giống như các tế bào sinh dưỡng khác, nó là lưỡng bội, có chứa 2 họ gen chuyên hoá cho chuỗi nặng (một allele mẹ và một allele bố) và 4 họ gen mã hóa cho các chuỗi nhẹ (2K và 2λ). Rõ ràng là các tế bào B có khả năng kìm hãm sự biểu hiện của tất cả các allele trừ một allele chuỗi nặng và một allele chuỗi nhẹ, quá trình này gọi là quá trình loại trừ allele do sự ức chế tái tổ hợp hữu ích đã xảy ra.



Sự loại trừ allele đã được chứng minh bằng thực nghiệm như sau: tiêm một lượng nhỏ Plasmid có chứa các gen chuỗi K đã tái tổ hợp vào một tế bào trứng chuột đã thụ tinh. Kết quả là chuột chuyển gen này kìm hãm sự tái tổ hợp của các gen chuỗi K.

Nhưng kết quả tương tự cũng thu được với các gen chuỗi nặng. Mặc dầu cơ chế loại trừ allele vẫn chưa rõ nhưng có khả năng là các sản phẩm protein của các sự kiện tái tổ hợp thành công đã ức chế toàn bộ quá trình tái tổ hợp tương tự sau này.

11. Sự chuyển đổi từ dạng liên kết màng đến dạng tiết của một kháng thể.

Sự chuyển đổi từ dạng liên kết màng đến dạng tiết của một kháng thể là do sự thay đổi phiên mã của chuỗi nặng. Mô hình lựa chọn dòng của sự phát sinh kháng thể đòi hỏi rằng kháng thể bộc lộ trên bề mặt của các tế bào B còn trinh cũng có tính đặc hiệu kháng nguyên giống như các kháng thể được tiết ra bởi các hậu thế của tế bào B chín. IgM gắn màng (một kháng thể được tổng hợp bởi các tế bào B trinh) neo vào màng sinh chất bởi một polypeptide kỵ nước 41 gốc tạo nên các cuối C của chuỗi nặng (μm).

Dạng tiết của IgM (kháng thể đầu tiên được tiết ra bởi các tế bào B chín), chuỗi nặng (μs) có 2 đoạn cuối C phân biệt nhau. Vậy các tế bào B đã thay đổi sự tổng hợp chuỗi nặng này như thế nào ?

Hình 9.13: Sự chuyên hoá các gen Cμμμμ đối với protein μμμμs thông qua sự lựa chọn nối thay đổi vị trí polyadenylate hoá. Trong μμμμm mARN (trái) đoạn ở cuối exon C113 (6) chuyển nối μμμμs đã polyadenylate ở sau 2 exon chuyên hoá đoạn vận chuyển màng (7+8). Các μμμμs mARN (phải) lại polyadenylate đúng sau đoạn đuôi μμμμs còn lại

Các gen chuỗi nặng tái tổ hợp sinh dưỡng bao gồm 8 exon C (Hình 9.13 ): Một đoạn L mã hoá đoạn dẫn peptid tín hiệu, một đơn vị VDJ mã hoá vùng VH; 4 exon mã hoá vùng CH1, vùng bản lề, vùng CH2 và vùng CH3 và 2 exon mã hoá chọn lọc đuôi vận chuyển màng của μm. Trong việc hình thành m RNA đặc hiệu μm, sự đóng vòng của hệ đã loại ra một đoạn ở cuối exon CH3 đặc hiệu đuôi μs và sự phiên mã đầy đủ đã kết thúc như thường lệ bởi poly (A). Trong sự hình thành μs mRNA thì sựđóng vòng lại làm hệ giữ lại đoạn μs và phiên mã polyadenylate xảy ra sau thời điểm này vì thế loại trừ được đoạn vận chuyển màng. Các tế bào B khi được kích thích bởi kháng nguyên đã có sự chuyển đổi như thế nào giữa sự đóng vòng cuối cùng và vị trí polyadenylate thì vẫn chưa rõ.

12. Sự chuyển lớp Immunoglobulin của các tế bào B.



Các tế bào B có thể chuyển lớp Immunoglobulin mà chúng tổng hợp. Các tế bào B trinh tổng hợp chủ yếu các IgM gắn màng. Nhưng con cháu của các tế bào B lại bị kích thích tăng sinh tổng hợp các lớp Ig khác nhau có các vùng biến đổi giống nhau cũng như các IgM gốc. Các trình tựacid nucleic đặc hiệu cho vùng biến đổi của chuỗi nặng vì thế trở nên gần kề với trình tự đặc hiệu vùng cố định của các của chuỗi nặng. Vậy cơ chế của sự chuyển lớp là gì ? Những vùng biến đổi của họ gen chuỗi nặng ở người như chúng ta đã thấy, nó bao gồm 8 đoạn mã hoá các vùng cố định cho các lớp và dưới lớp (Hình 9.14). Sự chuyển lớp có thể xảy ra ở quá trình thông qua RNA hoặc DNA. Trên thực tế, cả 2 cơ chế này đều xảy ra. Trong cơ chế xảy ra ở RNA thì không xác định được sự kiện chuyển đổi (switching) là thay đổi kết thúc phiên mã, sự polyadenylate hay sự đóng vòng. Nhưng trong bất cứ trường hợp nào, kết quả vẫn là tổng hợp mRNA chuỗi nặng có các vùng biến đổi giống nhau, nhưng vùng cố định thì khác nhau. Tế bào vì thế có thể tổng hợp liên tục 2 hoặc nhiều hơn các lớp Ig với các vị trí gắn kháng nguyên giống nhau.

Hình 9.14 :Sự chuyển lớp qua trung gian DNA

Cơ chế chuyển lớp với DNA xảy ra thông qua sự tái tổ hợp sinh dưỡng giữa đơn vị VDJ và vùng C lựa chọn. Để làm việc đó, các đoạn DNA xen giữa được loại bỏ, vì thế cơ chế này xảy ra không thuận nghịch. Ví dụ sự chuyển đổi tái tổ hợp từ tạo IgM tới tạo IgG (Hình9.14) thì tế bào B đã mất các đoạn Cμ, Cδ và Cγ3, vì thế hậu thế của nó không thể tổng hợp được IgM, IgD hoặc IgG3, nhưng vẫn còn tiềm năng để chuyển đổi tổng hợp IgG2, IgE và IgA vì sự tái tổ hợp không gây phiền toái tới các đoạn Cγ2, Cε và Cα.

Mỗi đoạn CH có sự loại trừ Cδ do sự chuyển đổi hoặc vùng S bao gồm các yếu tố bổ cứu ngắn lập đi lập lại (Cδ chỉ được biểu hiện thômng qua RNA). Vì thế vùng S này có thể tạo nên các tín hiệu tái tổ hợp sử dụng trong sự chuyển lớp.

13. Receptor tế bào T

13.1.Receptor của tế bào T với kháng nguyên: TCR.

Có 2 dạng TCR: TCR1 và TCR2. Khoảng 95% tế bào máu biểu lộ TCR2 và 5% là TCR1. TCR2 (hay TCRαβ) đó là một dimer tạp gồm 2 chuỗi α và β nối với nhau bằng liên kết đồng hoá trị. Chuỗi α là sản phẩm của sự sắp xếp lại các gen trên nhiễm sắc thể 14; chuỗi β là từ các gen trên nhiễm sắc thể 7. Mỗi chuỗi có một vùng biến đổi tương tự như ở Immunoglobulin, một vùng cốđịnh, một phần xuyên màng và một phần nằm bên trong nguyên sinh chất (cho nên được xếp vào trong siêu họ Ig).

Một trong những khác biệt lớn với Immunoglobulin là TCR nhận biết không phải là phần epitope nằm trên kháng nguyên nguyên vẹn mà là một peptide từ 8 đến 20 axit amin do kháng nguyên



bị tiêu hoá mà ra và được bộc lộ bởi một "tế bào trình diện kháng nguyên" (như đại thực bào, lympho B) trên một phân tử HLA lớp II đối với tế bào CD4+ hay HLA lớp I đối với tế bào CD8+.

TCR2 liên kết với 4 chuỗi polypeptide δ, γ, ε, ζ của CD3, cho phép chuyển đạt tín hiệu kháng nguyên vào bên trong tế bào T.

Cuối cùng là sự kết hợp của các phân tử, một bên là CD2 và LFA1 của tế bào lympho và bên kia là LFA3 và ICAM1 của tế bào đối ứng làm tăng cường thêm sự bám dính giữa tế bào lympho T phụ trợ và tế bào trình diện kháng nguyên hay giữa tế bào T độc với tế bào đích.

13.2. Các receptor khác của tế bào T.

Receptor với đoạn Fc (FcR) của Ig. Những Receptor này không chỉ có trên tế bào T. Các tếbào lympho T và B cũng như những tế bào khác trong máu, hay ở các mô, đều có thể biểu lộ Receptor với đoạn Fc của các lớp hay dưới lớp Ig khác nhau. Có thể không thấy rõ các receptor ấy trong việc hình thành hoa hồng EA (hồng cầu gắn kháng thể) hay bằng kháng thể đơn dòng. Sự có mặt của chúng tương ứng với các chức năng hiệu ứng hay điều hoà.

TCR1 hay TCRγγγγδδδδ: Các lympho chưa chín mang Receptor này nên chúng nhận biết được kháng nguyên mà không bị hạn chế bởi MHC (cho nên có thể là một nguyên nhân gây bệnh tự miễn ).

Hình 9.15. Các thành viên của siêu họ Ig (a) Receptor tế bào T, (b) IgM gắn màng, (c) Protein MHC lớp I và (d) protein MHC lớp II.

Receptor với interlcukin 2 (IL-2) hay CD25. Receptor với IL-2 tham gia vào sự phát triển tếbào T và trong đáp ứng miễn dịch tế bào khi có kích thích (nó xuất hiện khi tế bào được hoạt hoá, trên tế bào lympho T cảm ứng vừa có CD25 vừa tiết IL-2 nên có hiện tượng tự kích thích (autocrin) làm khuyếch đại phản ứng.



Receptor bổ thể (C). Có 2 loại: CD35 hay CR1 và CD21 hay CR2.

Receptor với IL-1, IL-4, IFNγγγγ, hormone, lectin. Những tiến bộ gần đây đã cho thấy trên tế bào lympho ngoài các Receptor với cytokin còn

có cả Receptor với hormone và chất dẫn truyền thần kinh như ACTH, endorphin... nên mới có khái niệm mở rộng hệ thần kinh hormone - miễn dịch (hình 9 15).

14. Phức hợp hoà hợp tổ chức chính.

Các protein gắn trên màng được mã hoá bởi phức hoà hợp tổ chức chính (major Histocompatibility complex - MHC) như chúng ta đã thấy, nó là các maker trình diện kháng nguyên (Protein MHC lớp I) và marker của các tế bào miễn dịch (Protein MHC lớp II). Dưới đây chúng ta sẽxét về cấu trúc cũng như bản chất di truyền của các protein cần thiết này.

14.1. Protein MHC có tính đa dạng cao.

MHC được nghiên cứu mở rộng cả ở trên người cũng như trên chuột. Ở người, protein MHC lớp I được mã hoá bởi 3 locus đồng nhất di truyền nhưng tách biệt là HLA-A; HLA-B và HLA-C (Hình 9,16). (HLA = human - leucocyte - assciate antigen, vì những protein này lần đầu tiên được tìm thấy ở bạch cầu Leucocyte). Vì vậy, mỗi cơ thể tổng hợp trên 6 protein MHC lớp I khác nhau. Ở người cũng có 3 protein MHC lớp II mà các chuỗi α và β của nó được mã hoá bởi các gen DPα, DPβ, DQα, DQβ, DQα và DRβ (Hình9.16). Gen MHC của chuột ở locus H-2 cũng được sắp xếp tương tự nhưtrên.

Hình 9.16:Bản đồ di truyền của MHC trên người mã hoá protein HLA . Gen lớp III mã háo một số protein của bổ thể

Hiện tượng nổi bật nhất của các gen MHC lớp I và II là tính đa dạng cao giữa các cá thể. Thực chất chúng là các gen đa dạng nhất đã biết ở động vật có xương sống bậc cao. Ví dụ ở người có 23 allele A, 49 allele B và 12 allele C có các đặc tính riêng đã được phát hiện. Cũng tương tự như vậy, có > 50 allele ở gen MHC lớp I của chuột. Hai cá thể không có quan hệ với nhau thì không giống nhau nhiều để đến mức có cùng một bộ gen MHC.

14.2. Protein MHC lớp I.

Các mô có thể được cấy từ một bộ phận của cơ thể này sang cơ thể khác hoặc giữa các cơ thểgiống nhau về mặt di truyền (đẻ sinh đôi). Nhưng ngay cả khi các mô được cấy vào giữa các cơ thể có quan hệ gần gũi thì các mảnh ghép cũng bị huỷ hoại bởi hệ thống miễn dịch của cơ thể tiếp nhận. (Hiện tượng này là trở ngại chính đối với việc ghép các cơ quan như tim và thận). Những nghiên cứu về sự loại trừ mảnh ghép như thế đã gần 50 năm trôi qua, do đó việc phát hiện ra protein MHC lớp I được hiểu là kháng nguyên ghép (Transplantation antigen).

Protein MHC lớp I là các glycoproteit vận chuyển màng ∼ 44 - KD được bộc lộ trên bề mặt hầu hết các tế bào có nhân của động vật có xương sống. Các trình tự aminoacid của những protein này được cuộn lại trong 5 vùng từ cuối C đến cuối N, một vùng tế bào chất ∼ 30 gốc và một đoạn vận chuyển màng ∼ 40 gốc, 3 vùng ở bên ngoài ký hiệu α3,α2 và α1 (Hình 9.15 c) ∼ 90 gốc. Các protein MHC lớp I được liên kết với nhau bởi liên kết không đồng hoá trị với tỷ lệ 1:1 với β2- microglobulin (β2m; Hình9.15, c); đó là một protein 12 - KD. Cấu trúc tia X của phần nằm ngoài tế bào của protein MHC lớp I, HLA-A2 được làm sáng tỏ bởi Don Wiley và Jack Strominger, các ông đã chỉ rõ rằng vùng α3 cũng như β2 - microglobulin đều tương đồng với các Immunoglobulin, tức là thừa nhận



Immunoglobulin gấp nếp. Một cách rõ ràng là tất cả các protein này cùng với các receptor tế bào T đều có quan hệ tiến hoá và tạo nên siêu họ gen (một bộ gen có quan hệ tiến hoá với các chức năng biến đổi).

Các vùng α1 và α2 tương đồng này của HLA-A2 tạo nên một tấm β đối song song 8 dây đơn có quan hệ với nhau xếp song song với màng tế bào và đi dọc bên sườn bởi 2 soắn α. Do có rãnh sâu hoặc khe vừa kích thước và hình dáng soắn nên nó có thể gắn với một polypeptide có 8 - 10 gốc tạo nên vị trí gắn của đoạn kháng nguyên đã được tế bào xử lý, nó gắn với chính protein MHC lớp I này và được nhận biết bởi Receptor tế bào T.

Thật vậy, HLA-A2 chứa một liên kết "kháng nguyên" chưa rõ ở trong rãnh (đã được tinh khiết và kết tinh lại) với protein MHC lớp I (được tổng hợp trong một dòng tế bào nuôi cấy của người ). Tuy nhiên, những gốc aminoacid là khác nhau giữa HLA-A2 và 2 protein MHC lớp I khác mà cấu trúc tia X đã được xác định (HLA - Aw 68 và HLA - B27) tập trung ở trong và bao quanh khe gắn kháng nguyên.

Cấu trúc tia X của protein MHC lớp I của người cũng như của chuột đều tạo phức với các peptide nội sinh hoặc với các peptide octa và nona ngoại sinh đặc hiệu đã chứng tỏ rằng những protein này gắn với peptide thân cận (Cognate) của chúng và trình diện tới Receptor tế bào T. Các peptide này gắn với các protein MHC lớp I hầu hết qua liên kết hydrogen ở khung peptide, các peptide có sự soắn lại và nới rộng cấu trúc giống như soắn polyprolin II. Vì thế các mạch bên peptide kế tiếp sẽ nhô ra theo hướng đối nghịch, nó hơi giống chuỗi bên của một dây trong nếp gấp β. Trong phức hợp protein H - 2Kb của chuột với một nonapeptide Virus chẳng hạn thì chuỗi bên của các gốc P2, P3, P6 và P9 (ở đây Pn là chỉ thứ tự gốc của peptide) mặt hướng vào trong để tiếp xúc với protein trong những cái túi để gắn với chúng).

Những chuỗi bên còn lại ít nhất có một phần tiếp xúc với dung môi và co’ thể tương tác với Receptor tế bào T. Thêm vào nữa, các cuối N và cuối C của các peptide gắn vào sâu và bảo vệ các túi này ở cuối khe gắn Protein MHC thông qua liên kết hydrogen để tiếp xúc với các gốc đã được bảo vệ,vì vậy chúng ta biết được hướng đI của peptide.Như vậy octapeptide này gắn với H-2Kb là cần thiết để duy trì tiếp xúc tương tự như với nonappeptide bởi vì gốc P5 của nonapeptide được điều chỉnh thông qua việc hình thành một chỗlồi ở trung tâm (tức là các gốc từ P6 tới P9 trong nonamer tương ứng với P5 tới P8 trong octamer).

Kích thước và vị trí của các amino acid ở túi có chứa các chuỗi bên hút giữ đã chứng tỏ rằng bất kỳ một protein lớp I đặc biệt nào cũng chỉ có thể lựa chọn một cách giới hạn các peptide. Ví dụ trong phức hợp của HLA - B27 với các peptide nội sinh, chuỗi bên P2 gắn vào một túi kỵ nước kết thúc ởgần Cys 67 và Glu 45 tích điện âm. Điều này chứng tỏ rằng vị trí này gắn ưu tiên một chuỗi dài, tích điện dương. Trong thực tế, tất cả 11 peptide có ở HLA - B27 đều chứa Arg ở P2. Sự phân biệt các chuỗi bên hút giữ khác ở P3, P7 và P9 mặc dầu không giới hạn như P2, nó có hoặc ít hoặc nhiều bản chất túi, còn trong khi đó các chuỗi bên ở đầu dung môi thì có sự phân biệt rộng hơn.

Những peptide ở các protein HMC lớp I khác cũng thể hiện các hoạ tiết trình tự đặc hiệu allele tách biệt. Đặc biệt, mỗi hoạ tiết trình tự có chứa 2 vị trí neo, nó có thể chỉ có một hoặc nhiều gốc có chuỗi bên quan hệ gần gũi. Vị trí neo này thay đổi với từng protein MHC.

Trong cố gắng làm rõ vai trò của các gốc có ở HLA-A2, người ta đã thấy có sự tương tác với đầu cuối N và đầu cuối C của peptide mà HLA-A2 gắn. Stromiger đã phát hiện hiệu ứng đột biến của những gốc này trên phức hợp peptide HLA-A2 là khả năng hoạt hoá của các tế bào T Killer. Cả 2 gốc Tyr đều gắn với các cuối N của nonapeptide influenza Virus đã được đột biến bằng Phe. Điều đó dẫn tới 2 vấn đề lớn: Một là khả năng của các tế bào T Killer là làm tan các tế bào có HLA - A2 đột biến và hai là các HLA - A2 đột biến này đều phơi bày một nonapeptide hoặc influenza Virus tiếp xúc. Rõ ràng là liên kết Hydrogen mà các chuỗi bên Tyr tạo với các nhóm amin cuối N và có thể cảnonapeptide liên kết HLA - A2 chuyên biệt cho hoạt hoá T Killer. Tuy nhiên, sự đột biến các gốc Tyr



và Phe đã hình thành liên kết Hydrogen với nhóm Cachoxyl cuối C của nonapeptide, nhưng Phe và Val thì không hoạt hoá được T Killer.

14.3. Protein MHC lớp II.

Baruj Benacerraf là người phát hiện ra protein MHC lớp II, ông quan sát thấy rằng các đáp ứng miễn dịch nào đó thông qua một trung gian là sản phẩm gen, chứ không phải là kháng thể. Ví dụ nhưkhi chuột bạch được tiêm chủng với một kháng nguyên đơn như polylysine, có một số cơ thể đáp ứng rất mạnh đối với kháng nguyên này trong khi đó các cơ thể khác lại không đáp ứng. Đáp ứng miễn dịch với một kháng nguyên đã cho là một đặc trưng di truyền nổi bật. Một số nhỏ cái gọi là các gen đáp ứng miễn dịch (Ir) rõ ràng là điều khiển cơ thể đáp ứng với tất cả các kháng nguyên đơn.

Một cá thể luôn luôn có thể đáp ứng miễn dịch chống lại các kháng nguyên xâm nhập một cách tự nhiên. Bản đồ gen Ir trên MHC vì thế bây giờ được hiểu là các gen MHC lớp II. Chúng mã hoá cho 2 subunit (dưới đơn vị) của một glycoproteit vận chuyển màng heterodimer có chuỗi α - 33 - KD và chuỗi β - 28 - KD. Mỗi chuỗi có 2 vùng (Hình 9.15d). Các trình tự amino acid của các subunit này chỉra rằng các vùng cuối C của α2 và β2 là các thành viên của siêu gia đình gen Immonoglobulin. Tuy nhiên, các vùng α1 và β1 có thể sắp thẳng hàng trên một cấu trúc đã biết của các vùng α1 và α2 của protein MHC lớp I. Điều này chứng tỏ rằng protein MHC lớp I và lớp II có cấu trúc cũng như chức năng tương tự. Dự đoán này đã được khẳng định bởi cấu trúc tia X của phần nằm ngoài tế bào của protein MHC lớp II, HLA - DR1. Các phức hợp của nó với hỗn hợp các peptide nội sinh và một đoạn gồm 13 gốc của protein hemagglutinin của Virus influenza (HA) đã được xác định bởi Strominger và Wiley. Tuy nhiên, vị trí gắn peptide của HLA - DR1 là một vòng mở ở cuối, trong khi đó protein MHC lớp I lại là những rãnh kéo dài nhưng ở cuối thì đóng lại. Điều này giải thích tại sao protein MHC gắn peptide với chiều dài tuỳ tiện, trong khi đó protein MHC lớp I gắn kéo dài là chủ yếu nhưng lại có các nonapeptide phồng ra ngoài. Như vậy, cấu trúc tia X của HLA - DR1 trong phức với HA 13 gốc đã chứng tỏ rằng peptide này ruỗi ra cả ở 2 đuôi của đường rãnh gắn của nó.

Tuy vậy, protein MHC lớp I và lớp II đều là các dimer αβ, HLA - DR1 được kết tinh như một Dimer αβ trong đó tất cả 4 mặt cuối C đều cùng 1 hướng và bề mặt của khe gắn peptide đều ở hướng đối diện. Đây là một cách trong đó các dimer αβ protein MHC lớp II biểu lộ có sự kết hợp ở trên màng bề mặt tế bào.Vì ligand cảm ứng sự dimer hoá của các Receptor bề mặt tế bào là cơ chế dẫn truyền các tín hiệu nên có thể là sự dimer hoá của Receptor tế bào T trhân thuộc được làm theo kiểu hoạt hoá tếbào T. Điều này sẽ giải thích tại sao các receptor tế bào T được hoạt hoá bằng cách liên kết chéo với kháng thể hai hoá trị (divalent) chứ không phải bằng đoạn Fab một hoá trị (monovalent) tương ứng.

14.4. Tính đa dạng của MHC.

Tính đa dạng của MHC có chức năng bảo vệ quan trọng. Hầu hết các gốc có tính đa dạng trong protein MHC đều được tập hợp lại thành các cụm, như chúng ta thấy rãnh gắn kháng nguyên phải như thế nào đó để mỗi bạch cầu đa nhân gắn với một đoạn kháng nguyên đã cho với một ái lực đặc trưng (người ta đã xác định được rằng bất kỳ một MHC lớp I bạch cầu đa nhân nào cũng có thểgắn < 1 % octapeptide và nonapeptide mà nó chạm trán). Những quan sát đã mô tả ở trên về sự thay đổi đáp ứng miễn dịch với các gen (Ir) MHC lớp II vì thế được xác định rằng một số protein MHC lớp II bạch cầu đa nhân tác dụng yếu hơn so với các lớp khác trong việc kết hợp với một epitope đã cho. Thật vậy, những nghiên cứu dịch tễ miễn dịch đã chỉ rõ rằng những bạch cầu đa nhân nhậy cảm tăng lên hoặc giảm xuống đối với một bệnh nhiễm khuẩn hoặc bệnh tự miễn. Ví dụ như 95% cá thể bị đái đường phụ thuộc insulin mang ít nhất một allele DR2 hoặc DR3 của gen DR, còn ở người bình thường chỉ chiếm 50%. Nhưng trong bệnh Celiac (bệnh rối loạn nặng đường ruột do ăn gluten lúa mì) là 100% bởi allele DQw2 của gen DQ. Ngược lại, một nghiên cứu về sự phân bố của các allele MHC ở trẻ em Châu Phi bị sốt rét nghiêm trọng có so sánh với những trẻ em bị nhiễm bệnh nhưng không chịu tác động lớn (chỉ có một bộ phận nhỏ trẻ nhiễm ký sinh trùng sốt rét là bị đe doạ tính mạng) đã chỉ rõ ràng HLA-Bw53 của protein MHC lớp I và DRB1 1302 - DQB1 0501 của protein MHC lớp II là kết hợp



một cách độc lập để chống lại bệnh sốt rét kịch liệt. Những Allele này khá phổ biến ở dân Châu Phi (~ 1% trẻ dưới 5 tuổi chết vì sốt rét). Những allele MHC này dùng để chống lại bệnh sốt rét hơn là chống lại hình ảnh tế bào hình lưỡi liềm.

Chức năng của protein MHC bạch cầu hạt là gì ? Dường như là nó không giống như tiến hoá mà chỉ để đề phòng các mô ghép và các Receptor tế bào T chỉ nhận dạng được kháng nguyên khi chúng được trình diện cùng với protein MHC. Nếu bất kỳ một mẫu đơn nào có một bộ giống nhau vềprotein MHC. Nếu một pathogen mà các epitope của nó tương tác yếu với các protein MHC này thì sẽgạch đi các mẫu đó. Gen MHCbạch cầu hạt có lẽ là để đề phòng pathogen và qua tiến hoá mà có khảnăng này. Vì thế sự lựa chọn tự nhiên sẽ dẫn tới việc duy trì sự thay đổi lớn protein MHC trong một quần thể..

15. Hệ thống bổ thể. 15.1. Khái niệm và vai trò của bổ thể. Các kháng thể với tất cả sự phức tạp của nó chỉ phục vụ cho việc phân biệt kháng nguyên lạ.

Còn một hệ thống sinh học khác làm bất hoạt và ngăn trở sự xâm nhập từ bên ngoài, đó là hệthống bổ thể.

Bổ thể là hệ thống enzyme ký hiệu từ C1 đến C9, hoạt động có tính chất liên hoàn, dây truyền với vai trò đẩy mạnh quá trình phản ứng miễn dịch. Sự dung giải vi khuẩn, tế bào hồng cầu chỉ diễn ra khi có mặt của bổ thể, nó hoạt hoá phản ứng ngưng kết, kết tủa và thực bào. Chức năng của bổ thể, thểhiện ở chỗ là nó gắn với phức hợp KN-KT để đáp ứng với những tác dụng của KT. Bổ thể hoạt động theo 3 cách:

Giết các tế bào lạ bằng cách gắn và làm tan màng tế bào, quá trình đó được hiểu là cố định bổthể ( complement fixation).

Kích thích sự thực bào các vật lạ, quá trình này có tên là sự opsonin hoá.

Tạo ra phản ứng viêm cục bộ.

Hệ thống bổ thể bao gồm ~ 20 protein huyết tương (bảng 9.2) nó tương tác trong 2 bộ phản ứng có liên quan với nhau (Hình 9.17): Con đường cổ điển phụ thuộc kháng thể (antibody - dependent Classical pathway) và con đường khác không phụ thuộc kháng thể (antibody - independent alteRNAtive pathway). Cả hai con đường đều gồm nhiều phản ứng hoạt hoá trình tự của một sery các protease serine, rất giống quá trình đông máu. Hệ thống bổ thể có tên gọi rất khác thường. Hầu hết các tên protein bổ thể đều có chữ "C" và theo sau là tên số các thành phần, nếu protein lại có các subunit hoặc các đoạn protein lớn thì lại có chữ đặt dưới. Các protease hoạt hoá được chỉ định bằng dấu gạch ở

trên các thành phần riêng biệt. Ví dụ: C 4b là protease được hoạt hoá bởi sự proteolysis C4. 15.2. Hoạt hoá bổ thể theo con đường cổ điển.

Trong con đường cổ điển, các protein bổ thể tạo nên 3 phức hợp gắn màng hoạt hoá trình tự(hình 9.17,).

Đơn vị nhận biết, gắn với phức hợp kháng nguyên - kháng thể gắn trên bề mặt tế bào.

Đơn vị hoạt hoá, khuyếch đại sự nhận biết thông qua thác proteolytic.

Phức hợp tấn công màng (membrane attack complex - MAC) phức hợp này chích vào màng sinh chất của các tế bào và gây nên sự ly giải rồi chết của tế bào.



Hình 9.17. Sơ đồ các con đường hoạt hoá bổ thể. Các mũi tên chỉ hoạt hoá proteolytic. Proteolytic hoạt hoá được chỉ bằng một gạch trên chỉ số của hợp phần.

15.2.1. Đơn vị nhận biết.

Con đường cổ điển được khởi đầu khi C1, một đơn vị nhận biết gắn đặc hiệu với tổ hợp kháng nguyên - kháng thể trên bề mặt tế bào. C1 có ở màng sinh chất, được coi như là phức hợp gắn lỏng lẻo của C1q, C1r và C1s. C1q là protein chủ yếu nhất, nó gồm 18 chuỗi polypeptide A6,B6,C6 trong đó các gốc cuối N ∼ 80 của mỗi chuỗi có sự lặp lại các trình tự Gly - X - Y mang đặc tính Collagen. Ở đây X thường là Pro và Y thường là 4 - Hydroxyproline hoặc 5 Hydroxylysine. C1q vì thế là 1 bó gồm 6 vòng soắn giống Collagen mà cuối mỗi soắn là một vùng cuối C hình cầu gắn với nhau cũng tương tự1 bó gồm 6 hoa tulip (Hình 9.18). Nhưng vùng hình cầu này gắn kháng thể - kháng nguyên thông qua sự nhận diện của vùng Fc của IgM và một vài dưới lớp của IgG (mặc dù Fc ở phức kháng nguyên - kháng thể khác với cấu trúc ở dạng kháng thể tự do như thế nào thì vẫn chưa rõ). Tuy nhiên, C1 chỉđược hoạt hoá nếu 2 đầu C1q của nó được gắn liên tục với kháng thể, quá trình này đòi hỏi sự tham gia của ít nhất 2 phân tử IgG, nhưng với IgM thì nó có hiệu lực xa hơn. Chỉ một thay đổi về cơ chất bao gồm cả Lipopolysaccharid vi khuẩn và màng Virus cũng có thể hoạt hoá được C1. Phần còn lại của C1 là C1r và C1s là những zymogen protien serine đồng dạng cũng giống như hầu hết các zymogen đông máu, chúng đều bị hoạt hoá do việc cắt proteolytic tạo nên 2 chuỗi liên kết disulfide.

Bảng 9.2: Các thành phần Protein của hệ thống bổ thể.

Protein Cấu trúc dưới đơn vị

Khối lượng phân tử

Đơn vị nhận biết (C1)

Clq A6B6C6 460

Clr α2 157

Cls α2 150

Đơn vị hoạt hóa

C2 Monomer 81



C3 αβ 174

C4 αβγ 187

Đơn vi tấn công màng

C5 αβ 190

C6 Monomer 102

C7 Monomer 91

C8 αβγ 142

C9 Monomer 61

Con đường khác

Factor B Monomer 83

Factor D Monomer 24

Properdin (P) α4 224

Protein điều hòa

Factor H Monomer 137

Factor I αβ 63

Protein g¾n C4b α7 570

ChÊt øc chÕ C I Monomer 53

Protein S Monomer 52

ViÖc g¾n phøc hîp kh¸ng thÓ - kh¸ng nguyªn sÏ kÝch thÝch C1q g¾n chÆt h¬n vµo 2 subunit cña C1r vµ C1s, ®ã lµ mét qu¸ tr×nh phô thuéc Ca2+, kÕt qu¶ lµ lµm tù ho¹t ho¸ C1r th«ng qua viÖc c¾t liªn

kÕt Arg - Ile. C1r khi ®Õn l−ît m×nh l¹i c¾t ®Æc hiÖu C1s ë liªn kÕt Arg - Ile ®Ó t¹o C1s .



Hình 9.18: Cấu trúc của protein bổ thể C1q

15.2.2. Đơn vị hoạt hoá.

Đơn vị hoạt hoá bao gồm các thành phần dẫn xuất từ C2, C3, C4 ở bước khởi đầu hình thành

đơn vị hoạt hoá. C1s cắt C4 ở liên kết Arg - Ile tạo ra các mảnh C4b gắn đồng hoá trị với màng tế bào

trong vùng lân cận của đơn vị nhận biết. C4b gắn màng kết hợp với C1s , cắt đặc hiệu C2. C2a gắn với

C4b tạo nên C 4 2a a, , đó là một protease có tên là C3 convertase nó cắt C3 thành C3a và C3b. Cuối

cùng C3b gắn với C3 Convertase để tạo nên đơn vị hoạt hoá C 4 2 3b a b, , , đó chính là C5 Convertase mà chức năng của nó là hoạt hoá C5 proteolytic bằng cách cắt liên kết Arg- Leu.

Cả C4 và C3 đều đi vào nhóm Thioester phản ứng cao khi đó nó có thể liên kết đồng hoá trị các protien này với màng tế bào. Trong C3, Thioester bao gồm một Cys thiol và một nhóm Cacboxyl γ của Glu tạo nên một vòng lớn các đuôi Gly - Cys - Glu - Gla - Asn.

Khi cắt C3, sản phẩm C3b phải trải qua sự sắp xếp lại cấu trúc để bộc lộ nhóm Thioester của nó. Sau đó Thioester phải ứng với nhóm OH hoặc nhóm amin gần bề mặt tế bào để tạo các amide tương ứng hoặc tạo liên kết ester với một nhóm sulfhyhydrin. Chức năng của quá trình này sẽ bàn luận sau. C4 được hoạt hoá cũng tương tự như vậy.

Sự hoạt hoá C3, C4 và C5 cũng tạo ra những chức năng khác cho hệ miễn dịch. C3b, C4b tạo nên sự opsonine, đó là những cơ chất kích thích sự thực bào (phagocytosis) (sự opsonine hoá), trong đó C3a, C4a và C5a (một sản phẩm của phản ứng Convertase C5 tạo nên độc chất phản vệ(anaphylatoxin), các cơ chất kích thích phản ứng viêm cục bộ và co thắt cơ trơn.



15.2.3. Phức hợp tấn công màng.

Hình 9.19. Phức hợp tấn công màng (MAC) là một cấu trúc hình ống tạo nên một lỗ xuyên màng ở màng sinh chất của tế bào đích.

C5b, một sản phẩm khá của phản ứng C5 convertase, biểu lộ không có hoạt tính proteolytic. Tuy nhiên, nó gắn trình tự C6 và C7 để tạo phức đi vào liên tục trong màng tế bào. Phức hợp C5,6,7 sau đó gắn với C8 và theo sau là khoảng 18 phân tử C9 để tạo nên MAC. Tiếp theo,phân tử C9 polymer hoá để tạo một cấu trúc gắn chặt vào màng có hình ống để phức C5b,6,7,8 gắn thật chặt vào (Hình 9.19). Tế bào bị ly giải là do MAC tạo một kênh chứa đường kính 30-100Å, kênh này đâm thủng màng, làm tăng tính thấm của nó. Cả 2 cơ chế này cho phép chỉ các phân tử nhỏ của tế bào mới trao đổi được với môi trường xung quanh. Vì vậy nước được thẩm thấu vào gây nên sự trương phồng và làm vỡ tế bào. Dĩ nhiên chỉ có các MAC đủ hiệu lực mới giết được tế bào.

15.3. Hoạt hoá theo con đường cạnh độc lập kháng thể.

Con đường cạnh của cố định bổ thể (Hình 9.17) sử dụng nhiều thành phần giống như con đường cổ điển và cũng tạo thành C5 Convertase gắn MAC. Hai con đường này khác nhau ở chỗ là con đường cạnh là độc lập - kháng thể chống lại sự xâm nhập của vi sinh vật. Vì thế người ta nghĩ rằng chức năng của con đường cạnh là bảo vệ, chống lại sự xâm nhập của vi sinh vật trước khi có đáp ứng miễn dịch chống lại chúng. (con đường cổ điển cũng có chức năng như vậy). Khi kháng thể được tổng hợp đủ thì con đường cạnh đảm nhận một vai trò thứ hai có liên quan tới con đường cổ điển.

Con đường cạnh thường được hoạt động ở mức thấp để tạo ra một cách liên tục một lượng nhỏC3b, một phân tử giống như được tạo ra bởi C3 convertase của con đường cổ điển. Tuy nhiên, trong con đường cạnh thì C3b gắn với factor B của protein sinh chất trong một phản ứng phụ thuộc Mg2+. Phức hợp tạo thành C3b, B chỉ được hiểu như là cơ chất cho Protease serine sinh chất hoạt hoá, yếu tố

D cắt subunit B của C3b, B để tạo C3b, Bb . Phức hợp C3b, Bb tương đương với C3 convertase, nhưng phân biệt với con đường cổ điển. Nó cắt C3 thành C3b để tham gia vào việc hình thành nhiều hơn C3 convertase trong một quá trình khuyếch đại vòng. Thêm vào nữa, C3b cũng gắn vào C3

convertase để tạo (C3b)2 Bb , một C5 convertase phân biệt với con đường cổ điển nhưng nó cũng có tính xúc tác tương tự trong việc hình thành MAC.

Vậy cái gì là nguồn gốc của C3b mà nó lại khởi đầu con đường cạnh? Dĩ nhiên, nó có thể được tạo ra bởi con đường cổ điển, nhưng trong trường hợp con đường cạnh thì nó lại tác động nhờ một cơchế khuyếch đại kháng thể - cảm ứng hoạt hoá bổ thể (antibody - induced complement activation). Tuy nhiên, nếu thiếu quá trình này thì nó vẫn có phản ứng nhưng không bộc lộ được liên kết Thioester của C3 mẹ mà phải trải qua sự thuỷ phân liên tục để tạo một protein giống như C3b ; C3i gắn với yếu

tố B và qua trung gian D - hoạt hoá xúc tác. Và C3 convertase sẽ tạo ta C3b xác thực.



Con đường cạnh hướng vào các vi sinh vật xâm nhập như thế nào? Khi nồng độ C3b trong dung dịch bị giới hạn bởi một protein huyết tương có tên là factor I thì nó cùng với một protein thứ 2 đó là factor H sẽ tạo nên một phức (I - H) nó phân giải proteolytic C3b trong dung dịch. Khi đó C3b liên kết đồng hoá trị với bề mặt nhưng tốc độ phân giải bị giảm rất nhiều. Tuy nhiên, phức C3 convertase gắn trên bề mặt sẽ được ổn định bằng cách gắn với một protein huyết tương là properdin (P), nó bảo vệ

cho C3b khỏi bị phân giải qua trung gian I, H cũng như làm chậm sự phân ly của Bb từ C3 convertase. Cuối cùng, C3b liên kết đồng hoá trị nhanh hơn với bề mặt để phân giải với tốc độ chậm hơn. Các cơ chất mà C3b gắn một cách có hiệu lực là các chất hoạt hoá theo con đường cạnh. Những điều này đi đến một kết luận rằng các polymer của các nguồn gốc vi sinh vật như lipopolysaccharide của vi khuẩn gram âm hay các acid teichoic vách tế bào của các vi khuẩn gram dương, nấm, vi khuẩn và các tế bào nhiễm Virus... đều được hiểu là các nội độc tố (endotoxin). Vì thế con đường cạnh đã đảm nhiệm việc chống lại một cách có hiệu quả các vi sinh vật xâm nhập. Như vậy, một cơ thể có sựthiếu hụt di truyền về các thành phần bổ thể nào đó thì hay nhạy cảm với sự nhiễm trùng.

15.4. Sự điều hoà hệ thống bổ thể.

Hệ thống bổ thể được điều hoà một cách nghiêm ngặt. Nó được kiểm soát một cách chặt chẽ. Mặt khác, hệ thống bổ thể cũng có thể phá hại cả các tế bào của túc chủ, chẳng hạn trong các bệnh tựmiễn. Hệ thống bổ thể được điều hoà bằng cách làm bất hoạt các thành phần hoạt hoá của nó. Có 3 cách thực hiện:

1. Các thành phần của bổ thể bị bất hoạt thông qua sự suy giảm liên tục của nó. Ví dụ như các Thioester phản ứng cao của các C3b và C4b hoạt hoá mới sinh sẽ phản ứng với nước với thời gian bán sống (half life) chỉ ∼ 60 μs (micro giây). Vì thế những protein này bị mất con đường cổ điển trừ phi chúng gắn vào màng ở lân cận đơn vị nhận biết đang hoạt hoá. Điều đó có nghĩa là, màng của các vi sinh vật xâm nhập đã làm hoạt hoá chúng (hơn là của các tế bào túc chủ). Cũng tương tự như vậy, đối

với C3 convertase, C 4 2b a của con đường cổ điển được hoạt hoá rất nhanh, nhưng C2a dễ bị phân giải do mất hoạt tính enzyme.

2. Các thành phần bổ thể bị bất hoạt thông qua sự phân giải của các protease đặc hiệu của chúng. Chẳng hạn protein gắn C4b tạo phức với factor I làm bất hoạt proteolytic C4b, nó rất giống phức IH phân giải C3b. Rõ ràng là protein C4b và yếu tố H tác động như một Cofactor hướng vào factor I đối với C4b và C3b. Từ quan điểm này ta thấy protein gắn C4b hạn chế sự hoạt hoá C3 convertase (4b, 2a) và C5 convertase (C4b, 2a, 3b) theo con đường cổ điển. Trong khi đó như chúng ta thấy factor H thực hiện như vậy đối với protease có chứa C3b trong cả 2 con đường cổ điển và con đường cạnh.

3. Các thành phần của bổ thể được làm bất hoạt thông qua việc kết hợp với các protein gắn đặc

hiệu. Ví dụ như C1 inhibitor gắn chặt vào C1r và C1s để tạo nên một phức hợp, vì thế làm bất hoạt đơn vị nhận biết này.

Cũng tương tự như vậy, protein S tấn công vào MAC gắn trong tế bào chất để ngăn ngừa các tấn công sau này vào màng tế bào. Những sự tấn công như thế cuối cùng đã làm hạn chế vị trí hoạt hoá bổthể.

Sự điều hoà hệ thống bổ thể vì thế thâu tóm được các vật xâm nhập lạ và làm giảm bớt sự tổn thương của các tế bào túc chủ.

16. Vaccine của hiện tại và tương lại

Kỷ nguyên gen học sẽ giúp cho sự phát triển của vaccine mới tăng theo số mũ. Vào những năm 70 của thế kỷ 20,việc phát hiện trật tự gen là điều không thể. Nhưng vào những năm 80 điều này đã trở thành hiện thực. Hiện tại người ta biết toàn bộ kiểu gen của vi sinh vật chứa khoảng 3 triệu đôi



base nitơ. Bằng dử dụng thuật toán và máy vi tính, chỉ trong vài giờ người ta có thể chọn lọc được toàn bộ gen thích hợp cho vaccine dự tuyển.

Một vấn đề khác được đặt ra là đường sử dụng vaccine. Phổ biến và kinh điển là tiêm. Nhưng sửdụng qua đường niêm mạc đang thu hút nhiều nghiên cứu với hy vọng thay đường tiêm, vì nó tránh gây đau đớn cho người dùng, tạo được miễn dịch và miễn dịch tại chỗ. Với những tiến bộ của khoa học kỹ thuật và yêu cầu phòng bệnh, chữa bệnh, nhiều vaccine mới sẽ lần lượt ra đời bao gồm vaccine chống nhiễm trùng và không nhiễm trùng.

Để đạt được tính an toàn, hiệu quả và kinh tế các nghiên cứu về vaccine hướng tới các sản phẩm:

Vaccine tinh chế: Vaccine không còn tạp chất, chỉ có kháng nguyên hoặc quyết định kháng nguyên.

Vaccine liên kết (Conugate): Polysaccharide liên kết với protein có phân tử lượng cao để tiếp cận dễ dàng với tế bào T.

Vaccine tái tổ hợp DNA: Gen mã hoá kháng nguyên được chuyển nạp vào genome của tế bào nấm men, tế bào vi khuẩn hoặc tế bào động vật thích hợp để tạo ra nhiều kháng nguyên tinh khiết nhờphương thức nhân bản. Quá trình chuyển nạp gen mã hoá kháng nguyên được thực hiện qua yếu tốtrung gian là Plasmide.

Vaccine DNA trần: Loại vaccine này được giải mã in Vivo và tạo nên đáp ứng miễn dịch. Tiêm vaccine trần là biện pháp tốt xử lý kháng nguyên bên trong cơ thể. Điều này gần với nhiễm trùng tựnhiên hơn so với tiêm vaccine chứa kháng nguyên gắn với cơ chất. Một ưu điểm nữa là kháng thể mẹtruyền sang con không ảnh hưởng gì tới đáp ứng miễn dịch.

Vaccine DNA trần tạo kháng thể không cao ngay từ đầu. Nhưng nếu tiêm nhắc lại với kháng nguyên tinh khiết thì nồng độ kháng thể sẽ rất cao và kéo dài. Vấn đề còn lại là tính an toàn của vaccine DNA trần.

Vaccine ghép: Đây là kết quả của sự kết hợp kỹ thuật tái tổ hợp và kỹ thuật di truyền. Chủng vi sinh vật dùng làm vaccine được cấy ghép gen mã hoá kháng nguyên lấy từ vi sinh vật gây bệnh. Vi sinh vật được cấy ghép là vi sinh vật Vector. Vaccine lai ghép một lúc kích thích cơ thể tạo ra hai đáp ứng miễn dịch: Đáp ứng bảo vệ đối với vi sinh vật gây bệnh và đáp ứng với vi sinh vật vector. Nếu vi sinh vật vector được chọn từ danh mục các vi sinh vật hiện có thì như vậy người ta được dùng vaccine có khả năng chống lại hai bệnh.

Vaccine hoá tổng hợp: Vaccine peptide là một ví dụ của vaccine hoá tổng hợp. Bằng phương pháp hoá học người ta có thể tạo ra chuỗi polypeptide với trình tự axit amin theo ý muốn, trên đó có epitope bảo vệ. Peptide này có thể liên kết với một protein tải để tăng tính phụ thuộc tế bào T.

Tạo chủng vi sinh vật dự tuyển làm vaccine: Bằng kỹ thuật di truyền, người ta có thể loại bỏmột gen mã hoá tính trạng bất lợi nào đó và ghép một gen có lợi vào một loài vi sinh vật dự tuyển làm vaccine.

Trong thực tế, một số vi sinh vật dự tuyển là vaccine đã được tạo ra trong quá trình nghiên cứu vaccine tả, thương hàn, lỵ. Chẳng hạn như vi khuẩn Salmonella gây bệnh thương hàn đã bị làm đột biến gen GalE hoặc gen Aro để trở thành chủng không đọc làm vaccine thương hàn sống loại uống. Vi khuẩn này không gây bệnh, có khả năng xâm nhập niêm mạc ruột nên kích thích đáp ứng miễn dịch ởmức cao.

Vaccine thực vật chuyển gen: Thực phẩm chứa gen kháng nguyên, khi ăn thực phẩm coi nhưđã sử dụng vaccine.



Chất bổ trợ Vaccine: Chất bổ trợ lý tưởng có tính an toàn và làm tăng hiệu lực của vaccine và các tính chất khác.

Phương pháp sử dụng vaccine: Vaccine tiếp xúc với niêm mạc qua đường tiêu hoá, hô hấp có thể thay thế đường tiêm. Sử dụng vaccine không tiêm đang là hướng đáng được chú ý.


CHƯƠNG IX: MIỄN DỊCH HỌC

Khái niệm về miễn dịch. Hệ thống miễn dịch tế bào. Hệ thống miễn dịch dịch thể. Cấu trúc và chức năng của các loại kháng thể. Kháng thể đơn dòng. Hệ thống bổthể. vaccin.

Câu 1: Thế nào là miễn dịch tế bào? Vai trò của các lymphocyte? Câu 2: Thế nào là miễn dịch dịch thể. Cấu trúc và chức năng của các loại kháng thể. Câu 3: Cho biết hệ thống bổ thể. Quá trình hoạt hoá bổ thể?



Chương X

SỰ VẬN CHUYỂN CÁC CHẤT QUA MÀNG

1. Những nét đại cương về màng tế bào.

Trước đây phần lớn các nhà sinh học chưa có khái niệm về màng. Có ý kiến cho rằng giữa môi trường ngoài và nguyên sinh chất, chỉ tồn tại một bề mặt tiếp xúc, nơi tập trung các chất khác nhau từ môi trường ngoài hoặc từ nguyên sinh chất tới. Trải qua một thời gian dài, nhờ sự phát triển của kính hiển vi điện tử người ta mới thừa nhận sự tồn tại của màng và cũng cần phải nhiều năm người ta mới biết được chức năng của màng.

Ngày nay, chúng ta hiểu rằng từ “màng sinh học” (biomembrane) dùng để chỉ lớp cấu trúc bao bọc bên ngoài các tế bào sinh vật cũng như các cơ quan bên trong tế bào như nhân, ty thể, lục lạp, lysosome, lưới nội chất, bộ máy Golgi … Chính vì sự phân chia khu vực như vậy nên ở các tếbào có nhân đã thực hiện được hàng loạt quá trình hoá học rất đa dạng và có sự điều tiết chặt chẽchẳng hạn như trao đổi chất, thực bào, tiêu hoá, tổng hợp protein, sinh năng lượng v.v.. Trong quá trình tiến hoá của sinh vật, việc xuất hiện các loại màng sinh học là một bước tiến về chất hết sức quan trọng. Màng sinh học với thành phần nền tảng là lipid giúp ngăn cách môi trường trong và ngoài tế bào.

Tuy nhiên sự ngăn cách này không làm cô lập mỗi cấu trúc tế bào, cũng như tế bào với môi trường xung quanh. Trái lại, sự giao lưu trao đổi vẫn được thực hiện theo hướng thuận lợi cho việc duy trì và phát triển sự sống của tế bào. Vì qua cấu trúc màng mà tế bào tiếp nhận một cách chọn lọc các chất dinh dưỡng cũng như những thông tin cần thiết từ môi trường xung quanh và đưa ra ngoài tế bào những chất thải loại. Màng không còn được quan niệm như một bộ phận tĩnh tại của tế bào, ngược lại, nó luôn được đổi mới (quá trình thực bào), nhiều quá trình cơ bản, nền tảng của sự sống tế bào được thực hiện ở màng (sự vận chuyển điện tử và proton trong quá trình phosphoryl hoá oxi hoá để tạo ATP, quá trình quang hợp ở hệ thống màng Tilakoid của lục lạp, sựdẫn truyền thần kinh v.v..). Vì thế muốn hiểu rõ các quá trình trên, điều cần thiết là phải am hiểu kỹ về cấu tạo màng sinh học.

2. Thành phần hoá học của màng tế bào

2.1 Lớp kép Lipid của màng tế bào.

Cấu trúc cơ bản màng tế bào là một lớp kép Lipid, đó là một lá Lipid rất mỏng, bề dày chỉ có 2 phân tử, lớp mỏng này liên tục bao quanh tế bào. Thành phần hoá học của lớp Lipid bao gồm nhóm glycero phospholipid và nhóm Sphingolipid. Ngoài ra còn có một lượng đáng kể là cholesterol và dẫn xuất của nó. Điều đáng lưu ý là các hợp chất Lipid đều không tan trong nước, vì vậy chúng có khả năng làm hàng rào ngăn cách môi trường nước với các cấu trúc tế bào. Chúng ta cũng thấy, phospholipid có 2 đầu, một đầu là gốc phosphate ưa nước, còn đầu kia là gốc acid kỵnước. Cholesterol cũng có 2 đầu, một đầu là gốc hydroxyl ưa nước, còn đầu kia là nhân steroid thì kỵ nước (hình 10.1a).

Như vậy, cả 2 loại phân tử đó đều giống nhau ở chỗ có một đầu ưa nước, một đầu kỵ nước. Đầu kỵ nước bị nước gian bào cũng như nước nội bào đẩy nên quay vào trong, chúng gặp nhau, hấp dẫn nhau, đó là phần kỵ nước tức là phần mỡ chiếm lớp giữa hai lớp kép của màng. Phần ưa nước thì quay ra mặt ngoài tiếp giáp với nước bao quanh.



Lớp Lipid này là hàng rào ngăn cách các chất tan trong nước như glucose, các ion… Còn các chất tan trong mỡ như oxy, carbon dioxide, rượu thì qua màng dễ dàng.

Đặc điểm của lớp Lipid này là mềm mại, có thể uốn khúc, trượt đi trượt lại dễ dàng.

Hình 10.1a. Sơ đồ cấu trúc của màng.

Một điều đáng chú ý là sự phân bố của các Lipid trong màng rất khác nhau. Tỷ lệ Lipid và protein thay đổi hình như tùy theo hoạt tính sinh học của màng. Chức năng sinh học càng phức tạp thì hàm lượng protein càng cao. Chúng ta hãy lấy màng ty lạp thể để làm ví dụ: lớp màng trong giữvai trò chính trong quá trình hô hấp mô bào và tổng hợp ATP nên chứa nhiều enzyme oxy hoá khử, các protein vận chuyển điện tử, các ATP – synthetase… Màng mylein bọc dây thần kinh với nhiệm vụ cách điện do đó không cần nhiều protein chức năng ở các tế bào schwann.

Hơn thế nữa, sự sắp xếp các nhóm Lipid ngay giữa 2 lớp của cấu trúc màng kép cũng không đồng đều về các thành phần chất béo, nhất là với nhóm phospholipid. Ở màng hồng cầu, lớp ngoài chứa chủ yếu phosphatidyl cholin và Sphingomyelin, còn lớp trong (giáp với bào tương) chứa phosphatidyl ethanolamine và phosphatidyl serine. Nhóm phosphatidylinositol cũng phân bố ở lớp trong của màng tế bào. Các glycolipid thường luôn gắn ở mặt ngoài của màng để thuận tiện cho chức năng sinh học chỉ định tính kháng nguyên của màng.

Tuy nhiên, cho tới nay người ta vẫn chưa hiểu được tại sao màng tế bào lại cần nhiều loại Lipid khác nhau như vậy.

2.2 Các protein màng sinh học

Các khối protein hình cầu, nổi bập bềnh trên lớp Lipid kép, đó là glycoproteit. Có 2 loại protein, một protein xuyên màng, còn một loại là protein rìa (hay là protein ngoại vi) chỉ vì bám vào một bên mặt của màng mà không thâm nhập vào lớp màng (hình 10. 1b).

Đầu phân tử protein trên mặt ngoài chứa nhiều Carbohydrate (chủ yếu là Oligosaccharide) đóng vai trò cầu nối tiếp xúc và vận chuyển thông tin giữa các tế bào .

Nhiều phân tử protein xuyên màng làm thành những kênh (hoặc lỗ) qua đó các chất tan trong nước, đặc biệt là các ion có thể khuếch tán qua lại giữa dịch ngoại bào và dịch nội bào. Các protein



này không phải là những cái cửa mở thụ động để các chất tự do qua lại, mà là protein có thuộc tính chọn lọc, cho phép một chất này khuếch tán ưu tiên hơn chất khác. Một số phân tử protein xuyên qua màng lại là những protein mang (carrier) làm nhiệm vụ vận chuyển các chất theo chiều ngược với chiều khuếch tán tự nhiên, đó là sự vận chuyển tích cực. Một số phân tử protein khác lại có hoạt tính enzyme.

Hình 10.1b. Cấu trúc màng tế bào .

Các protein rìa thường hoàn toàn ở một bên mặt phía trong của màng và bám vào các protein xuyên màng, chúng có chức năng và hoạt tính hầu như hoàn toàn là enzyme (hình 10.1b)

Các protein màng tế bào đảm nhiệm các nhiệm vụ chính sau đây: Vận chuyển chất, bơm các ion, thực hiện các quá trình oxy hoá khử, là các receptor, là kênh dẫn ion, là các enzyme phân giải (protease, esterase v.v..), là các động cơ hoặc khí cụ vận động ở vi sinh vật, tạo ống nối giữa các tếbào.

2.3 Các Glucid của màng tế bào

Các Glucid của màng hầu như bao giờ cũng hoá hợp với protein và với Lipid dưới dạng glycoproteit và glycolipid. Như vậy hầu như bao giờ phần protein cũng nằm chìm trong bề dày màng tế bào, còn phần glucid bám ở phía mặt ngoài màng tế bào một cách lỏng lẻo và toàn bộ bềmặt ngoài tế bào có một lớp áo glucid lỏng lẻo gồm phần glucid của 3 loại hợp chất kể trên (glycoproteit, glycolipid, proteolycan). Lớp áo đó được gọi là áo glucid hay vỏ glucid (glycocalix).

Áo glucid có các chức năng quan trọng như sau: Những glucid thường tích điện âm có tác dụng xua đổi những vật có tích điện âm, làm các tế bào dính vào nhau khi áo glucid tế bào này bám vào áo glucid tế bào khác, nhiều glucid là các Receptor để gắn các hormone và cuối cùng là tham gia một số phản ứng miễn dịch.

3. Sự vận chuyển các chất qua màng

3.1. Hàng rào Lipid và sự vận chuyển qua màng



Như trên đã nói, màng tế bào chủ yếu là một lớp kép, rải rác nhiều phân tử protein lềnh bềnh trên mặt lớp Lipid là một hàng rào ngăn không cho nước, hoạt chất tan trong nước qua lại giữa hai khu vực trong và ngoài tế bào. Tuy nhiên vẫn có một số chất đi qua lớp Lipid kép để ra hoặc vào tếbào.

Mặt khác, các phân tử protein còn có nhiều cách khác vận chuyển chất qua màng. Phân tửprotein chiếm một chỗ ở lớp Lipid kép, chỗ đó là một con đường thay thế có nghĩa là phân tử hay ion nào không qua được lớp Lipid thì có thể dùng con đường đó mà đi qua màng được. Vậy phần lớn các protein xuyên màng là protein vận chuyển. Có nhiều lọai protein, mỗi loại có một cách hoạt động khác nhau. Một số protein có một khoang chứa đầy nước chạy xuyên suốt qua phân tử protein đó làm thành một con đường hay còn gọi là con kênh, đó là những protein kênh. Lại có những protein mang, nó gắn với chất cần được vận chuyển, rồi phân tử protein này biến dạng hình thái, do đó đưa chất được vận chuyển đi qua các khe bên trong phân tử protein, nhờ đó qua màng sang mặt bên kia của màng. Hai loại protein kênh và mang đều có tính chọn lọc cao đối với phân tử hoặc ion mà nó đưa xuyên qua màng.

Sự vận chuyển các chất qua màng tế bào có thể thực hiện qua một trong hai quá trình cơ bản: khuếch tán và vận chuyển tích cực. Khuếch tán là sự vận động phân tử ngẫu nhiên của một chất, làm cho từng phân tử chất đó đi qua màng, hoặc lách qua khe liên phân tử của màng, hoặc gắn với một protein mang. Năng lượng khuếch tán chính là năng lượng tự nhiên sẵn có của vận động cơ học của vật chất. Ngược lai, vận chuyển tích cực là đưa chất đi xuyên qua màng do kết hợp với protein mang, lại có thêm sự đi qua ngược thang năng lượng, chẳng hạn như đi từ nơi có nồng độ thấp sang nồng độ cao. Quá trình này đòi hỏi phải cung cấp thêm năng lượng từ bên ngoài.

3.2. Sự khuếch tán.

Khuếch tán là sự liên tục vận động của các hạt vật chất, hạt đó có thể là ion, là phân tử nước, là chất tan trong dung dịch bất kỳ, trong dịch cơ thể hoặc là chất khí từ nơi có nồng độ cao sang nơi có nồng độ thấp. Sự khuếch tán này phụ thuộc vào nội năng của vật chất tham gia khuếch tán. Nội năng của vật chất, vật lý học là nhiệt, đây chính là sự chuyển động nhiệt, sự chuyển động càng nhiều thì nhiệt độ càng cao và không bao giờ ngừng, chỉ ở độ không tuyệt đối thì mới ngừng chuyển động.

3.2.1. Khuếch tán đơn thuần qua lớp Lipid kép

Khuếch tán của các chất tan trong mỡ: Người ta thực nghiệm tạo một màng nhân tạo chỉ có một lớp Lipid kép (không có protein vận chuyển) thì thấy yếu tố quan trọng nhất khiến một chất tan trong mỡ như oxy, nitơ, carbon dioxide và rượu đi qua màng tế bào rất nhanh. Tốc độ khuếch tán qua màng tỷ lệ thuận với độ tan trong Lipid (Hình 10.2).

Vận chuyển nước và các phân tử không tan trong Lipid.

Mặc dù nước không tan trong Lipid màng tế bào nhưng nước được vận chuyển qua màng rất nhanh, phần lớn đi thẳng qua lớp Lipid kép, một số qua kênh protein. Nước khuếch tán nhanh tới mức một giây nước có thể vào hồng cầu bằng 100 lần thể tích của chúng. Nguyên nhân chưa rõ tại sao nước qua nhanh, nhưng người ta cho rằng do phân tử nước nhỏ, lại có động năng cao nên phần kỵ nước của màng chưa kip ngăn thì phân tử nước đã đi qua rồi.

Các ion không khuếch tán qua lớp Lipid kép tuy kích thước nhỏ. Nguyên nhân ngăn cản ion qua màng là do điện tích với 2 cơ chế khác nhau:



Điện tích làm cho các phân tử nước gắn vào ion tạo thành những ion gắn nước có kích thước rất to nên không qua được màng.

Điện tích của ion bị điện tích của lớp Lipid kép xua đẩy, không cho lọt qua màng.

Hình 10.2. Những cơ chế cơ bản của sự vận chuyển qua màng tế bào .

3.2.2. Khuếch tán đơn thuần qua kênh protein và “cánh cổng” ngăn kênh.

Người ta đã dùng máy tính dựng lại cấu trúc 3 chiều của một protein và chứng minh đó là những kênh hình ống nối dịch ngoại bào với dịch nội bào. Kênh có tính thấm chọn lọc cao, do kích thước, do hình dáng và do bản chất điện tích có mặt trong ống kênh có tác động lên chất đi qua màng.

Cổng của kênh protein: Cổng này là một phương tiện kiểm soát tính thấm của kênh. Người ta cho rằng cổng (hay là cánh cổng đóng mở) là sự phát triển của cơ chế phân tử protein vận chuyển. Cổng có thể khép lại hay mở ra do sự biến đổi hình dạng của phân tử protein. Natri có nhiều ở dịch ngoại bào, và cánh cổng của kênh natri đóng mở ở phía mặt ngoài của màng tế bào, còn kali có nồng độ cao trong tế bào, cánh cổng của kênh kali đóng mở ở mặt trong tế bào, phía giáp bào tương (Hình 10-3).

Có 2 cơ chế kiểm soát việc đóng và mở cổng:

Đóng mở do điện thế (Voltage gating) là do điện thế màng làm thay đổi hình dáng phân tửcủa cổng. Điện tích âm trong màng làm cổng natri đóng chặt, khi mặt trong màng mất điện tích âm thì cổng natri mở hàm lượng lớn natri chạy vào qua kênh natri. Đó là nguyên nhân cơ bản của điện thế hoạt động ở dây thần kinh khi có xung thần kinh.

Đóng mở do chất kết nối (ligand) là sự đóng mở kênh do protein kênh gắn với một phân tửkhác. Phân tử gắn vào được gọi là chất kết nối (ligand). Ví dụ, tác dụng của acetycholin đối với



kênh acetycholin. Cổng này rất quan trọng đối với việc vận chuyển tín hiệu từ một tế bào thần kinh này sang một tế bào thần kinh khác.

Hình 10.3. Vận chuyển Ion Na+(a) và K+ (b) qua các kênh protein

3.2.3. Khuếch tán tăng cường.

Khuếch tán tăng cường còn gọi là khuếch tán thuận hoá (facilitated diffusion), đó là sựkhuếch tán dễ dàng hơn và tăng cường độ trở thành dễ thực hiện được. Trong trường hợp này, nếu thiếu vật mang thì không thực hiện được sự khuếch tán. Vì có vai trò của vật mang nên quá trình này cũng còn gọi là khuếch tán qua vật mang.

Khuếch tán tăng cường khác khuếch tán đơn thuần qua kênh mở, do một điều quan trọng là độkhuếch tán tăng tỷ lệ thuận với nồng độ chất khuếch tán. Trong khuếch tán tăng cường, tốc độ



khuếch tán tăng dần tới một điểm tối đa gọi là Vmax, tới đó thì dừng lại dù nồng độ chất khuếch tán tiếp tục tăng nữa.

Có giả thuyết cho rằng sở dĩ có điểm giới hạn tối đa về tốc độ khuếch tán là vì chất được khuếch tán khi đi qua phân tử protein mang, đi trong một con đường bên trong phân tử mang đến giữa đường thì nghẽn lại vì bị dính vào một nơi gọi là điểm gắn (binding) hoặc còn gọi là điểm tiếp nhận (Receptor). Sau đó phải có thời gian cho protein mang thay đổi hình dáng khiến cho phân tửkhuếch tán tách được ra khỏi điểm tiếp nhận, và tiếp tục lộ trình đi hết con đường, sang mặt bên kia của màng tế bào. Thời gian protein mang thay đổi hình dáng, chính là yếu tố giới hạn tốc độ khuếch tán ở trí số Vmax. Khuếch tán tăng cường là cơ chế qua màng tế bào những chất rất quan trọng nhưglucose và nhiều acid amin. Người ta đã biết những phân tử protein chất mang có khối lượng phân tử ước chừng 45.000 Dalton và còn có thể vận chuyển những mono saccharide có cấu trúc giống glucose như manose, galactose, xylose và arabinose. Insulin làm tăng tốc độ khuếch tán tăng cường của glucose lên gấp 10-20 lần.

3.2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đối với tốc độ khuếch tán.

Thông thường khi nói một chất khuếch tán qua màng với một tốc độ nào đó thì người ta hiểu đó là tốc độ khuếch tán thực (net diffusion) vì khi dung dịch một chất có nồng độ khác nhau ở hai bên màng, thì đồng thời có 2 dòng khuếch tán qua màng với 2 tốc độ khác nhau. Sự khuếch tán từbên trong nồng độ cao sang bên nồng độ thấp, với một tốc độ cao. Đồng thời lại có dòng khuếch tán chất từ bên nồng độ thấp sang bên nồng độ cao với tốc độ thấp hơn.

Như vậy, tốc độ khuếch tán thực là hiệu giữa tốc độ khuếch tán của 2 dòng vận chuyển chất theo hai chiều qua màng, đó là tốc độ chúng ta quan tâm vì nó là hiện tượng liên quan tới sự sống của tế bào. Tốc độ khuếch tán thực chịu ảnh hưởng của 4 yếu tố là: Tính thấm của màng, hiệu nồng độ chất hai bên màng, hiệu áp suất qua màng và hiệu điện thế hai bên màng.

Ảnh hưởng tính thấm của màng đối với một chất (ký hiệu là P - Permeability) là tốc độkhuếch tán thực chất đó qua một đơn vị diện tích màng, dưới tác dụng của một đơn vị hiệu nồng độ(khi không có hiệu áp suất và hiệu điện thế). Tính thấm của màng chịu ảnh hưởng của: Bề dày của màng ( màng càng dày càng khuếch tán chậm); độ tan trong mỡ (độ tan càng cao, khuếch tán càng nhan); số lượng kênh protein (tốc độ khuếch tán tỷ lệ thuận với số kênh cho một đơn vị diện tích); nhiệt độ (tỷ lệ thuận với độ khuếch tán) và khối lượng phân tử chất khuếch tán (KLPT thấp thì dễkhuếch tán, mối quan hệ này rất đa dạng chứ không đơn giản).

Hệ số khuếch tán của màng được ký hiệu là D (diffusion) chính là tính thấm P của toàn màng, do đó bằng tính thấm P nhân với diện tích A của toàn màng.

D = P x A

Ảnh hưởng của hiệu nồng độ: Tốc độ khuếch tán thực tỷ lệ với hiệu nồng độ chất hai bên màng.

Khuếch tán thực = αD (C0 – Ci)

Trong đó C0 là nồng độ ngoài màng (out), Ci là nồng độ trong màng (in), D là hệ số khuếch tán.

Ảnh hưởng của hiệu áp suất: Khi có hiệu áp suất lớn hai bên màng thì có dòng vận động phân tử từ bên áp suất cao sang bên áp suất thấp.



Ảnh hưởng của hiệu điện thế: Khi có hiệu điện thế hai bên màng thì có một gradient điện qua màng. Điện tích dương hấp dẫn các ion âm, còn điện tích âm đẩy các ion âm, tạo nên một chênh lệch nồng độ. Sự chênh lệch nồng độ tăng dần đến mức xu thế khuếch tán do chênh lệch nồng độbằng xu thế khuếch tán do hiệu điện thế, tới lúc này hệ ở trạng thái cân bằng động. ở nhiệt độ cơthể (370 C), hiệu điện thế tạo cân bằng với hiệu nồng độ của các ion hoá trị một như Na+,K+,Cl-, và hiệu điện thế được xác định do phương trình Nerst:

Trong đó EMF là lực điện động (tức điện thế) giữa 2 bên của màng, C1, C2 là nồng độ ion ởbên 1 và bên 2 của màng. Tính phân cực, tức dấu hiệu điện thế ở bên 1 trong phương trình trên là dương (+) đối với các ion âm, và là âm (-) đối với các ion dương. Hệ thức này là cực kỳ quan trọng để hiểu bản chất của sự truyền xung thần kinh.

3.2.5. Khuếch tán nước và thẩm thấu.

Nước là chất có số phân tử nhiều nhất đi qua màng. Nước thường khuếch tán qua màng tếbào. Người ta đã tính rằng trong 1 giây đồng hồ lượng nước vào và ra khỏi hồng cầu bằng khoảng 100 lần thể tích của chính hồng cầu. Tuy vậy bình thường vẫn có sự cân bằng giữa lượng vào và lượng ra. Cân bằng này được điều hoà chính xác đến mức số phân tử ra bằng đúng số phân tử vào. Như vậy không có dòng vận chuyển thực (net transport). Tổng số lượng nước đang có trong hồng cầu giữ nguyên không suy suyển về thể tích. Tuy nhiên, trong một số điều kiện có thể phát sinh hiệu nồng độ nước (tức là chênh lệch nồng độ nước) qua hai bên màng ngăn hồng cầu.

Áp suất thẩm thấu:

Số hạt thẩm thấu (tức nồng độ mol) có tầm quan trọng ở chỗ áp suất thẩm thấu là do số hạt trong một thể tích, chứ không phải do khối lượng của chất tan trong dung dịch. Số hạt của chất không thấm qua màng, dù hạt to hay nhỏ không ảnh hưởng, mà cứ mỗi hạt không thấm qua màng là choán chỗ của một phân tử nước. Hạt to, hạt nhỏ đều trao đổi năng lượng sang nhau trong vận động phân tử, để tất cả đều có một động năng trung bình K bằng nhau tất cả, mà giá trị của K theo phương trình:

K= mv2/2 .

Trong đó m = khối lượng; v= vận tốc của hạt

Mỗi hạt thẩm thấu là một phân tử của chất không phân ly, hoặc là một ion của phân tử phân ly.

Khái niệm về Osmol kilogam so với nồng độ Osmollit:

Áp suất thẩm thấu có giá trị bao nhiêu là do số hạt chất tan chứ không do khối lượng chất tan. Vì vậy nồng độ chất tan tạo áp suất thẩm thấu không biểu thị bằng số gam mà phải biểu thị bằng sốhạt chất tan. Đơn vị nồng độ số hạt thẩm thấu là Osmol.

Một Osmol là số phân tử có trong một phân tử gam chất không phân ly (không ion hoá), ví dụglucose là chất không phân ly và có số phân tử gam bằng 180, vậy 180 gam Glucose là một osmol. Trong trường hợp NaCl là chất phân ly hoàn toàn trong dung dịch nước và phân tử gam NaCl là



58,5g; như vậy 58,5g NaCl là 2 osmol. Khi dung dịch có 1 osmol chất tan trong 1 kilogam nước (1kg), ta nói là nồng độ osmol kilogam (osmolality) của dung dịch đó là 1 osmol cho 1 kg (1 osm/kg).

Trong sinh lý học người ta thường dùng đơn vị miliosmol (mosm). Dịch nội bào và dịch ngoại bào có nồng độ osmollit (osmolarity). Nồng độ osmollit (osmolarity) có giá trị xấp xỉ như nồng độosmolkg (osmolality) (chênh lệch nhau không tới 1%).

Trong tương quan định lượng giữa nồng độ osmolkg và áp suất thẩm thấu, cần thiết phải phân biệt áp suất thẩm thấu (osmotic pressure) và nồng độ osmollit (osmolarity) là 2 khái niệm khác nhau. Áp suất thẩm thấu là lực biểu thị bằng kg/cm2 hoặc mmHg, còn nồng độ osmol là nồng độbiểu thị bằng số hạt/lít. ở 370C nồng độ 1 miliosmol/lít tạo áp suất thẩm thấu 19,3 mmHg. Dịch cơ thể có 300 mosm, tính ra là 5790 mmHg, nhưng khi đo thực tế chỉ được chừng 5500 mmHg. Có sựchênh lệch này là do trong dịch cơ thể, nhiều loại ion như Na+, Cl- hấp dẫn nhau nên vận động nhưmột hạt phân tử, chứ không như 2 hạt ion. Số hạt osmol giảm thì tác dụng thẩm thấu giảm. Vì vậy áp suất thẩm thấu đo thực chỉ chừng 0,95 trị số tính toán từ nồng độ osmol.

3.3. Vận chuyển tích cực.

Khuếch tán tích cực là khuếch tán ngược chiều bậc thang điện hoá. Bậc thang điện hoá (Electrochemical gradient) là tổng các lực tạo ra khuếch tán, gồm hiệu nồng độ, hiệu điện thế và hiệu áp suất. Khuếch tán thụ động là đi xuôi chiều các bậc thang đó. Sự sống tế bào nhiều khi đòi hỏi phải khuếch tán ngược bậc thang, ví dụ ta phải đưa K+ vào tế bào là nơi đã có nồng độ K+ cao hơn bên ngoài rất nhiều, hoặc phải đưa Na+ từ tế bào ra dịch ngoại bào mặc dù là dịch ngoại bào đã có nồng độ Na+ cao hơn trong dịch bào. Sự vận chuyển như vậy là đi ngược dòng lên dốc. Trong sốcác chất được vận chuyển tích cực qua màng tế bào gồm Na+, K+, Ca2+, H+,Cl-,i-, ion sắt, ion urat, nhiều loại đường, nhiều acid amin.

Vận chuyển tích cực nguyên phát và thứ phát.

Người ta chia vận chuyển tích cực làm 2 loại tuỳ theo năng lượng được dùng. Loại nguyên phát dùng năng lượng trực tiếp từ phân giải ATP hoặc hợp chất phosphate giàu năng lượng khác. Loại thứ phát dùng năng lượng lấy từ bậc thang nồng độ ion, bậc thang này là thứ phát, là hệ quảcủa sự vận chuyển tích cực trước đó. Cả 2 loại vận chuyển tích cực này đều dùng protein mang là phân tử xuyên qua bề dày của màng giống như trong khuếch tán tăng cường. Tuy nhiên, protein này có cách hoạt động khác so với khuếch tán tăng cường ở chỗ protein chia năng lượng cho chất được vận chuyển.

3.3.1. Vận chuyển tích cực nguyên phát.

Bơm Natri – Kali là cơ chế được nghiên cứu rất chi tiết, đó là cơ chế bơm ion Na+ ra khỏi tếbào, đồng thời bơm ion K+ vào trong tế bào. Loại bơm này có ở mọi tế bào.

Bơm Natri – Kali là một protein mang gồm 2 phân tử protein hình cầu, một to có KLPT chừng 100.000 và một nhỏ có KLPT chừng 55.000. Protein to có 3 điểm quan trọng về chức năng: Có 3 trung tâm tiếp nhận ion Natri, các trung tâm này nằm ở phần protein thò vào bên trong tế bào; Có 2 trung tâm tiếp nhận ion kali nằm ở phần thò ra bên ngoài tế bào và phần thò vào trong, giáp với trung tâm gắn Natri có hoạt tính ATPase.

Khi có 3 ion natri gắn vào đầu trong và 2 ion kali gắn vào đầu ngoài của protein mang thì hoạt tính ATPase được phát đông. Phân tử ATP tách ra ADP và giải phóng một liên kết giàu năng lượng.



Người ta cho rằng năng lượng này làm thay đổi hình dáng phân tử protein mang, do đó đẩy Na+ ra ngoài và K+ vào bên trong.

Bơm Na+- K+ có vai trò kiểm soát thể tích tế bào, đó là chức năng rất quan trọng. Ta biết rằng trong tế bào có nhiều ion âm (protein, các chất hữu cơ) có xu thế hấp dẫn ion dương. Nếu hấp dãn được thì sẽ có quá nhiều ion trong tế bào tạo áp suất thẩm thấu hút nước vào làm tế bào phình ra và vỡ. Nhưng bơm này đưa 3 ion Na+ ra mà chỉ cho 2 ion K+ vào, tức là thực tế cuối cùng có 1 dòng ion dương chạy ra ngoài tế bào nhờ đó có tác dụng thẩm thấu đưa nước ra ngoài tế bào. Mỗi khi vì lý do nào đó tế bào phình nước thì tự động phát động máy bơm Na+- K+ hoạt động tăng cường, nhờđó mà thể tích tế bào duy trì bình thường.

Bơm Na+- K+ có bản chất sinh điện vì cứ mỗi vòng quay của bơm thực tế đẩy được 1 ion dương ra ngoài (3 Na+- 2K+), tạo điện tích dương bên ngoài, điện tích âm bên trong tế bào.

Bơm calci là một loại bơm vận chuyển tích cực nguyên phát. Nồng độ ion calci trong bào tương chỉ bằng 1/10.000 ở dịch ngoại bào, nhờ hoạt động của 2 loại bơm Calci. Một loại bơm nằm trên màng tế bào, bơm Calci ra ngoài tế bào. Một loại bơm nữa, bơm ion Calci vào bào quan, ví dụvào mạng nội bào tương hoặc vào tylạp thể. Phân tử protein mang cũng nằm xuyên qua màng tế bào và cũng có hoạt tính ATPase giống như trường hợp bơm Natri.

Sự bão hoà của vận chuyển tích cực: Sự vận chuyển tích cực có thể bị bão hoà, tức là đạt tới điểm giới hạn, gọi là Vmax giống như trường hợp giới hạn của khuếch tán tăng cường. Ở đây cũng vậy, tốc độ phản ứng bị giới hạn do cần có đủ giờ cho protein biến đổi hình dạng mà gắn hay nhảchất được vận chuyển.

Sự tiêu dùng năng lượng trong vận chuyển tích cực. Năng lượng dùng vận chuyển chất, không kể phần mất theo nhiệt trong phản ứng hoá học, là tỷ lệ theo mức độ tập trung chất, còn gọi là mức độ tăng nồng độ chất. Khi vận chuyển tích cực để một bên màng có nồng đọ cao gấp hàng trăm lần bên kia màng thì tốn năng lượng gấp 2 lần so với tạo nồng độ cao gấp 10 lần. Nói cách khác, nhu cầu năng lượng, tỷ lệ thuận với logarit của sự tăng nồng độ chất, theo công thức:

Năng lượng ( calo/osmol) =1400log C1/ C2 .

Có nhiều trường hợp tế bào tiêu dùng rất nhiều năng lượng vào việc này, ví dụ tế bào ống thận và một số tuyến dùng tới 90% năng lượng của mình để tập trung nồng độ chất.

3.3.2. Vận chuyển tích cực thứ phát, đồng vận chuyển và vận chuyển đổi chỗ.

Vận chuyển tích cực thứ phát là loại vận chuyển dùng năng lượng gián tiếp, tức là mượn thếnăng khuếch tán của một chênh lệch nồng độ đã được tạo lập trước đó do vận chuyển tích cực nguyên phát.

Ta biết rằng, bơm natri đã tạo một nồng độ cao ion natri ngoài tế bào. Nồng độ cao này là một thế năng có xu hướng là ion natri khuếch tán trở vào, khi trở vào thì xảy ra hiện tượng “nhân tiện kèm theo” một chất khác. Tuỳ theo cách thức đem đi theo mà gọi là đồng vận chuyển với natri hay là vận chuyển đổi chỗ với natri. Những chất đi cùng chiều với natri vào tế bào thì đồng vận chuyển còn những chất cần đi ngược chiều với natri để ra ngoài thì vận chuyển đổi chỗ.

Glucose và acid amin qua màng tế bào do cơ chế đồng vận chuyển với natri: Protein mang có 2 trung tâm tiếp nhận ở phần ngoài của phân tử, một trung tâm nhận natri, một trung tâm nhận glucose. Natri có nồng độ bên ngoài tế bào cao hơn rất nhiều so với bên trong nên thế năng đi vào đó cung cấp năng lượng đưa luôn cả glucose vào theo. Protein mang sẽ có biến đổi hình dạng phù hợp để chuyển 2 chất qua màng. Protein mang có đặc điểm là chừng nào mới tiếp nhận một chất



natri thì chưa biến dạng để vận chuyển, chỉ khi nào tiếp nhận đủ 2 chất thì mới tự động biến dạng và khi đó chuyển luôn cả 2 chất qua màng trong tế bào. Đồng vận chuyển acid amin cũng tương tự mọi mặt như đồng vận chuyển glucose, chỉ khác là có tới 5 loại protein vận chuyển tương ứng với 5 acid amin.

Có 2 cơ chế đồng vận chuyển như sau:

Thứ nhất là đồng vận chuyển Natri – Kali – hai Clo, đó là quá trình đưa 2 ion Cl- vào tế bào, đi cùng chiều với ion K+ và 1 ion Na+, đều đi vào.

Thứ hai là đồng vận chuyển Kali và Clorua đưa K+ và ion Cl- từ bên trong tế bào, 2 ion này cùng nhau ra ngoài. Ngoài ra còn cơ chế đồng vận chuyển các ion I-, sắt, urat…

Các ion Ca2+ và H+ vận chuyển đổi chỗ với Na+. Có 2 cơ chế quan trọng là đổi chỗ Na+ - Ca2+

và đổi chỗ Na+-- H+. Khi đổi chỗ Natri – Calci thì ion natri đi vào tế bào, đổi chỗ cho ion Calci đi ra, cả 2 ion đều gắn lên một phân tử protein mang, phân tử này biến đổi hình dạng theo phương thức đổi chỗ. Phương thức này bổ sung cho vận chuyển nguyên phát, calci ở một số tế bào. Cơ chế đổi chỗ natri – hydro là một quá trình rất quan trọng trong ống lượn của thân, ion natri từ lòng ống đi vào tế bào ống, đổi chỗ cho ion hydro từ tế bào ống đi ra dịch ở lòng ống, như vậy vừa thải được ion H+ cặn bã của sự chuyển hoá, vừa giữ được ion natri cần cho cơ thể. Đây là một quá trình rất quan trọng mà từ lâu nay người ta vẫn thường nói đến đó là sự đổi chỗ Na+- H+.

Trong sự vận chuyển đổi chỗ còn phải kể đến trao đổi cation giữa một bên màng tế bào là Ca2+ hoặc Na+, và bên kia màng là Mg2+ hoặc K+. Lại có trao đổi anion giữa ion Cl- đi một chiều và ion bicarbonat hoặc sulfat đi theo chiều ngược lại.

4 . Vận chuyển tích cực qua lớp tế bào.

Cơ chế vận chuyển qua lớp tế bào có 2 bước chính: Vận chuyển tích cực chất qua màng tế bào vào trong tế bào và khuếch tán đơn thuần hoặc tăng cường qua màng tế bào để ra phía bên kia của tế bào.

Hai bước vận chuyển trên chỉ là một sơ đồ đơn giản của sự vận chuyển qua một lớp tế bào. Trong thực tế đa dạng hơn rất nhiều ví dụ vận chuyển từ trong lòng ống qua lớp biểu mô vào hệtuần hoàn như ở ruột, ở ống thận, hoặc vận chuyển theo chiều ngược lại đưa các chất ra phía lòng ống như ở túi mật, tuyến ngoại tiết. Phía nào của biểu mô là vận chuyển tích cực (nguyên hoặc thứphát) và phía bên nào là khuếch tán đơn (đơn thuần hoặc tăng cường) là tuỳ từng cơ quan.


CHƯƠNG X: SỰ VẬN CHUYỂN CÁC CHẤT QUA MÀNG

Khái niệm về màng. Thành phần cấu tạo của màng. Sự vận chuyển các chất qua màng

Câu 1: Thành phần cấu tạo của màng?

Câu 2: Sự vận chuyển các chất qua màng?



Chương XI

MỐI LIÊN HỆ GIỮA CÁC QUÁ TRÌNH

TRAO ĐỔI CHẤTTrong các tế bào và trong các cơ thể sống sự trao đổi chất có mối liên quan tương hỗ lẫn

nhau. Mối liên này được thể hiện ở 2 lĩnh vực chủ yếu là nguyên liệu và năng lượng.

Mối liên quan về nguyên liệu là khả năng chuyển hoá một chất này thành chất kia thông qua một số sản phẩm trung gian chung.

Mối liên quan về năng lượng được biểu hiện ở chỗ là khi phân giải một hợp chất nào đó, năng lượng được tích lũy bằng sự hình thành hợp chất ATP – hợp chất cao năng ATP này được sử dụng cho phản ứng thu năng lượng và các quá trình sinh tổng hợp các chất khác nhau trong cơ thể. Ví dụATP được tạo thành trong quá trình đường phân và quang phosphoryl hoá (quang hợp), trong quá trình phosphoryl oxy hoá (hô hấp), phosphoryl với oxy hoá thông qua chu trình Krebs và chuỗi vận chuyển điện tử của các acetyl –CoA được tạo thành từ saccharide, các acid béo hay các acid amin.

Nhờ khả năng chuyển hoá tương hỗ giữa các chất mà các cơ thể thích ứng được với môi trường. Ví dụ một số động vật ở vùng ôn đới do dự trữ được một lượng lipid lớn nên đã bảo đảm cung cấp đủ năng lượng và các chất cần thiết cho cơ thể sử dụng trong thời gian ngủ đông. Ở thực vật, vào mùa đông xảy ra sự chuyển hoá tinh bột thành đường và chất béo nên cây có khả năng chịu lạnh. Sau đây chúng ta xem xét mối tương quan của sự trao đổi từng cặp hợp chất.

1. Mối liên quan giữa trao đổi saccharide và lipid.

Khi phân giải saccharide (glucose) tạo thành hợp chất trung gian là Dihydroxyaceton phosphate, chất này được sử dụng để tổng hợp nên glycerol. Còn từ glyceraldehyd-3- phosphate sẽphân giải và hình thành acetyl-CoA và tiếp tục được tổng hợp thành acid béo. Glycerol kết hợp với acid béo thành lipid.

Dihydroxyaceton phosphate � glycerol

ccharide Lipid

Gliceraldehyt-3-phosphate � acetyl-CoA �Acid béo

Ngược lại, sản phẩm của sự phân giải lipid là glyxerol và acetyl-CoA lại là nguyên liệu đểtổng hợp nên saccharide: glyxerol tạo thành fructose -1,6 –diphosphate. Acetyl-CoA đi vào chu trình glyoxylic (ở một số thực vật, vi khuẩn, nấm mốc) nó sẽ tạo thành oxaloacetate, tiếp theo thành phosphoenolpyruvate và tổng hợp thành glucose (hình 11.1,11.2)



Hình 11.1: Sự chuyển acid béo dự trữ thành đường trong sự nảy mầm của hạt.

Ở hình 11.1, cứ một vòng của chu trình glyoxylat có 2 phân tử acetyl-CoA tham gia sẽ tạo ra được 1 phân tử succinate. Succinate chuyển vào chu trình Krebs tạo ra phân tử oxaloacetate.

Acid béo

β - oxy hoá

Acetyl - CoA CH3-CO-SCoA

Malate

Oxaloacetatecitrate

izocitrat

glyoxylate

Acetyl - CoA 0

CH3-C-SCoA

Succinate

-OOC-CH2-CH2 -COO-

Chu trình glyoxylic

Succynyl-CoA

Succinate

Fumarate

Malate

Oxaloacetate

citrate

Izocitrate

α-Ketoglutarate

Phosphoenol pyruvate

Fructose-6-phosphate

Glucose-6-phosphate

=

=OOC-C-CH2-COO-

O 6

CO2

Chu trình Acid-citric



Oxaloacetate bị khử carboxyl và photphoryl hoá thành frutose - 6- phosphate, sau đó tạo thành glucose. Như vậy 4 phân tử acetyl-CoA cho 2 phân tử succinate, tiếp tục là 2 phân tử oxaloacetate. Oxaloacetate loại đi 1 CO2, qua quá trình biến đổi sẽ thành 1 phân tử glucose.

Lipid

Acid béo Acetyl-CoA

Glycerol

Glycerol Kinase

Glycerol-3 Photphate

NADH

NADH+H+

Dihydroxyaceton phosphate

Hình 11.2: Lipid dự trữ trong hạt được oxy hoá thành acetyl-CoA và dihydroxyaceton phosphate trong quá trình nảy mầm- cả 2 cơ chất này sẽ tạo thành glucose ở thực vật. Cần nhớ rằng acetyl-CoA không phải là cơ chất cho sự tạo thành glucose ở động vật.

2. Mối liên hệ giữa sự trao đổi saccharide và protein.

Sự phân giải saccharide tạo ra một số α -cetoacid, khi amin hoá, chúng sẽ tạo thành các acid amin tương ứng:

Pyruvate↔ alanine

α -cetoglutarate ↔ glutamate

oxaloacetic ↔ aspartate

Các acid amin này lại tiếp tục chuyển hoá bằng con đường riêng tạo nên các acid amin khác như glutamate thành proline, aspartate thành lysine, Methionine, Threonine, Isoleucine … Ngược lại, một số acid amin (alanine, phenylalanine, tyrosine, histidine, tryptophan, serine, cystein, glutamate, proline, aspartate) được coi là acid amin tạo glucose.



Ngoài ra, giữa quá trình dị hoá saccharide (chu trình Krebs) và quá trình dị hoá acid amin (chu trình urea) có những giai đoạn tạo ra các sản phẩm trung gian giống nhau. Đó là các aspartate, glutamate, fumarate. Điều đó chứng tỏ có mối liên quan giữa trao đổi saccharide với trao đổi protein (hình 11.3, 11.4, 11.5).

Hình 11.3: Mối liên quan giữa chu trình Krebs (bên trái) với chu trình urea (bên phải) thông qua các sản phẩm trung gian aspartat–arginino succinate, Fumarate, acginosuccinate, oxaloacetate...

Hình 11.4: Chu trình urea và các phản ứng cung cấp nhóm amin cho nó

Fumarate

Malate

Oxaloacetate

Glulutamate

Arginine

ornithine

Acginino succinate

urea

citrullin e

Cacbamoil phosphate Aspactat e

αketoglutarate

Các Acid amin

Glutamine (từ mô nước chiết gan)

Chuyển amin hoá thành α-Ketogutarate

Alanine (từ cơ) Glutamate

Đến bước (2b) của chu trình urea

Ty thể

citrulline

Acginiosuccinate

ornithine

citruline

Aspartate

ornithine

Fumarat



Hình 11.5. Con đường phosphoenolpyruvate đến glucose-6-phosphate là chung cho sự biến đổi sinh tổng hợp của nhiều tiền chất khác nhau hình thành saccharide trong động vật và thực vật .

Glucose máu

Glycogen

Các glucoprotêin

disaccharide

Các monosaccharide

Thực vật Sacarose

Động vật Glucose - phosphate

Năng lượng

phosphoenolpyruvat

Cố định C02



Hình 11.6: Tổng quát của sinh tổng hợp các acid amin. Các tiền chất từ quá trình đường phân, chu trình acid citric và con đường pentose photphate.

3-phosphat glycerate Serine

Ribose-5-phosphate

Histidine

Eritrose-4-phosphate

Tryptophan Phenylalanine

Tyrosine

Glycine cycteine

Alanine Valine

Leucine

Photphoenolpyruvate

Pyruvate

Glucose-6 - phosphatase

Glucose



3. Mối liên quan giữa sự trao đổi lipid và protein.

Acid béo là tiền chất của một số acid amin thông qua các chu trình Krebs (một số acid amin được tổng hợp từ acid α - cetoglutaric) hoặc qua chu trình acid glyoxylic) tạo ra oxalo acetate, chất này sau đó bị loại carboxyl tạo thành acid pyruvic. Từ 2 chất này tổng hợp nên một số acid amin (hình 11.6)

Ngược lại, một số acid amin (leucine, isoleucine, tryptophan) khi phân giải sẽ tạo thành acetyl-CoA, từ đó tổng hợp nên acid béo. Một số acid amin khác (alanine, cysteine, serine) lại bịphân giải thành acid pyruvic. Theo con đường tổng hợp mới glucose, acid pyruvic sẽ tạo thành glyceraldehyd –3- phosphate. Từ chất này sẽ tổng hợp nên glycerol. Sự chuyển hoá protein thành lipid có thể khái quát trong sơ đồ sau (hình 11.7, 11.8).

Hình 11.7. Sự chuyển hoá acid béo thành acid amin



Hình 11.8: Sự chuyển hoá Protein thành lipid

4. Mối liên quan giữa trao đổi saccharide và acid nucleic

Khi phân giải glucose theo chu trình pentose phosphate sẽ tạo thành ribose –5-phosphate. Từchất này sẽ tạo nên phosphoribosyl- pyrophosphate dùng làm nguyên liệu cho tổng hợp các purine và pyrimidine (hình 11.9)

Phenylalanine Tyrosine

Leucine

Lysine

Tryptophan

Alanine

cystine

Glycine

Serine

Threonine

isoleucine

Leucine

Tryptophan

Protein

Acetoacetyl - CoA

Acetyl - CoA

Acid béo

Acid pyruvic

Glyceraldehyd -

Glycerol

Lipid



Phosphoribosylpyrophotphate (PRPP)

5- phosphoribosyl alanine

acid inozinic (IMP)

Hình 11.9: Con đường tổng hợp các nucleotid adenine và guanine

Một số nucleotide cũng có vai trò đối với sự sinh tổng hợp các oligosaccharide và polisaccharide. Ví dụ, uridin diphosphate glucose (UDP- glucose) dẫn xuất nucleotide của đường, nó là chất cho gốc glucose.

5. Mối quan hệ giữa trao đổi protein và acid nucleic.

Các acid amin glutamine, acid aspartate là nguyên liệu để tổng hợp nhân pyrimidine (hình 11,9) các acid amin glutamine, lysine, acid aspartic tham gia tổng hợp nhân purine.

Các base purine và pirimidin đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình tổng hợp acid nucleic như DNA, rRNA, mRNA và t-RNA.

Adenilo Acid xanthylic Succinic

AMP GMP

ADN GDP

ATP GTP

Ribose –5- phosphate



6. Mối quan hệ giữa sự trao đổi lipid và acid nucleic

Sự trao đổi của lipid và acid nucleic có rất ít mối liên quan trực tiếp, chúng chỉ liên quan gián tiếp thông qua trao đổi saccharide và protein.

Một số dẫn xuất nucleoside diphosphate như cytidine diphosphate choline và cytidine disphosphate ethanolamine tham gia vào quá trình sinh tổng hợp phosphatid với vai trò chất cho gốc choline và ethanolamine (hình 11.10, 11.11)

N5, N10 - metilen H4 folate

7,8 – Dihydrofolate

Gliycine

Serine +

Hình 11.10: Tổng hợp Thymidylate



Hình 11.11: Tổng quan các con đường hình thành phosphotidylcholine và phosphtidyl ethanolamine

Trong các chương trao đổi chất chi giới thiệu quá trình chuyển hoá trao đổi chất riêng lẻ. Nhưng cơ thể sống là một khối thống nhất toàn vẹn, quá trình trao đổi có mối liên hệ hữu cơ với nhau.

Ethanolamine

CDP-

ethanolamine

choline

CDP-choline

3 ado Met

Phosphotidyl Ethanolamine

Động vật có vú

Dioxylglyxerol

CMP

Serine

Ethanolamine

Phosphotidyl Serine

Seriê CMP

CDP - diaxil glixerol

Co2

Decarboxyhoá

Vi khuẩn và nấm men

CMP

3 ado Hcy

Phosphotidyl choline



Trong cơ thể, các quá trình trao đổi có liên quan mật thiết với nhau và có sự thống nhất điều hoà. Sản phẩm phân giải của một chất này lại là nguyên liệu tổng hợp của chất khác. Năng lượng do sự phân giải của chất này lại cần dùng cho quá trình tổng hợp một chất khác.

Tuy nhiên cần lưu ý rằng, vai trò và tầm quan trọng của sự trao đổi của mỗi chất là khác nhau. Sự trao đổi Saccharide và lipid có ý nghĩa lớn về mặt cung cấp ATP cho các quá trình thu năng lượng. Tất cả các phản ứng của quá trình trao đổi chất đều phải có enzyme xúc tác. Một số chuyển hoá lại được điều hoà bởi các chất kìm hãm hoặc các hormone có bản chất protein. Bởi vậy sự trao đổi protein có vai trò điều hoà theo những cơ chế nghiêm ngặt đối với toàn bộ quá trình trao đổi chất đảm bảo trạng thái cân bằng của cơ thể.

Ngoài ra, nhờ các yếu tố điều hoà bên trong cơ thể và bên ngoài như horcmone, nồng độenzyme, nồng độ cơ chất, sự có mặt các chất kích thích và kìm hãm v.v.. mà các quá trình sinh tổng hợp hay phân giải các chất diễn ra một cách chính xác và tiết kiệm nhất.


CHƯƠNG XI: MỐI LIÊN HỆ GIỮA CÁC QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI CHẤT

Mối liên quan giữa trao đổi saccharide và lipid. Mối liên hệ giữa sự trao đổi saccharide và protein. Mối liên quan giữa sự trao đổi lipid và protein. Mối liên quan giữa trao đổi saccharide và acid nucleic. Mối quan hệ giữa trao đổi protein và acid nucleic. Mối quan hệgiữa sự trao đổi lipid và acid nucleic

Câu 1: Mối liên quan giữa trao đổi saccharide với lipid và protein? Câu 2: Mối liên quan giữa trao đổi acid nucleic với saccharide; protein và lipid?



TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Trần Thị Ân, Lê Doãn Diên, Đặng Hạnh Phức, Nguyễn Thị Thịnh, Lê Ngọc Tú, Phạm Đình Thái. Sinh hoá đại cương tập I. Nhà xuất bản Đại học và trung học chuyên nghiệp, Hà Nội, 1972.

2. Trần Thị Ân, Lê Doãn Diên, Đặng Hạnh Phức, Nguyễn Thị Thịnh, Lê Ngọc Tú, Phạm Đình Thái. Sinh hoá đại cương tập II. Nhà xuất bản Đại học và trung học chuyên nghiệp, Hà Nội, 1974.

3. Vũ Kim Bảng, Nguyễn Đặng Hùng, Nguyễn Văn Kiệm, Trần Thị Lộc, Vũ Thị Thư, Lê Khắc Thận. Bài giảng hoá sinh đại cương. Nhà xuất bản Đại học và giáo dục chuyên nghiệp, Hà Nội, 1991.

4. Nguyễn Hữu Chấn,Trần Thị Ân, Nguyễn Thị Hà, Nguyễn Nghiêm Luật, Hoàng Bích Ngọc, Vũ Thị Phương. Những vấn đề hoá sinh học hiện đại tập I. Nhà xuất bản KHKT, Hà nội 2000.

5. Nguyễn Hữu Chấn, Nguyễn Thị Hà, Nguyễn Nghiêm Luật, Hoàng Bích Ngọc, vũ ThịPhương. Hoá sinh. Nhà xuất bản Y học, Hà nội 2001.

6. Đỗ Đình Hồ, Đông Thị Hoài An, Nguyễn Thị Hảo, Phạm Thị Mai, Trần Thanh Lan Phương, Đố Thị Thanh Thuỷ, Lê Xuân Trường. Hoá sinh Y học. Nhà xuất bản Y học chi nhánh TP. HCM 2003.

7. Nguyễn Tiến Thắng, Nguyễn Đình Huyên. Giáo trình Sinh hoá hiện đại. Nhà xuất bản Giáo dục 1998.

8. Lê Khắc Thận, Nguyễn Thị Phước Nhuận. Giáo trình sinh hoá học động vật, Nhà xuất bản nông thôn, 1974.

9. Lê Đức Trình. Hormon. Nhà xuất bản Y học 1998.

10. Straub F.B. Hoá sinh học (Tài liệu dịch). Nhà xuất bản KHKT, Hà nội 1973.

11. Berge, Jeremy M ; Tymoczko, John L . ; and Stryer, Lubert. Biochemistry. W. H. Freeman and Co. New York 2002.

12. Cooper, Geoffrey M. The Cell –A molecular Approach 2nd ed. Sinauer Associate, Inc., Sunderland (MA) 2000.

13. Donald Voet ; judithg .Voet. Biochemistry 2nd ed ., John Wiley & Son, Inc. New York 1995 .

14. Gilber, Scott F. Developmental Biology. 6th ed. Sinauer Associates inc, Sunderland 2000.

15. Hames, B.D.; Hooper N. M.; Huoghton J.D. Instant note in Biochemistry, Bios Scientific Publishers 1998.

16. Lehninger, A, L; Nelson, D,C ; Cox, M,M. Principles of Biochemistry, 2nd ed., Worth Publishers, New York 1993.



17. Lodish, Harvey; Ber, Arnold; Zipursky, S. Laurence; Matsudaira, Paul; Baltimore, Davi; Darnell, Jame E. Molecular Cell Biology . 4th ed., W.H. Freeman & Co ., New York 1999.

18. Nussey, S.S. and Whitehead, S.A. Endocrinology, An Integrated Approach, Bios Scientific Publishers. Ltd .,Oxford,UK 2001.

19. Robert Horton, H.; Moran Laurence A.; Raymond S. Ochs; David Rawn, J.; Gray Scrimgeour, K. Principles of Biochemistry, 2nd ed., Prentico-hall international inc, 1996.

20. Stryer, L. Biochemistry, 4th ed ., W.H. Freeman and Company, San Francisco 1995.

21. Các website: www.microbes.otago.ac.nz/.../ biocontrol/protozoa.htm; Dopamine receptor figure courtesy of www.sane.org.uk/; niko.unl.edu/bs101/ notes/slide3_8.html; www. tulane.edu/biochem/med/igg.htm; whole mouse IgG2a molecule; users.rcn.com/.../ C/CellSignaling.html; RNA Verion of the genetic code; www.chemicalgraphics.com/. ../DNA/gem-dna.jpg; genetics.gsk.com/ graphics/dna-big.gif; www.ocf.berkeley.edu/ ~bsj/submissions.html; www.columbia.edu/cu/opg/pub/pub.html; ...

gt hoa sinhdongvat_

Education