Giáo trình môn Hóa Sinh

201 trang huongle 2910

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình môn Hóa Sinh", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_mon_hoa_sinh.pdf

Nội dung text: Giáo trình môn Hóa Sinh

GIÁO TRÌNH HĨA SINH LỜI NĨI ĐẦU Giáo trình Hĩa sinh đƣợc biên soạn dựa trên tài liệu đƣợc tích lũy sau nhiều năm giảng dậy của các giảng viên Khoa Hĩa – trƣờng Đại học bách khoa Đà Nẵng. Khi viết Giáo trình Hĩa sinh tác giả đặt ra mục tiêu giúp cho sinh viên ngành Cơng nghệ sinh học tiếp cận các thuật ngữ và hiểu đƣợc các kiến thức hĩa sinh. Từ đĩ, vận dụng kiến thức để tìm hiểu sâu xa các quá trình sống của sinh vật một cách cĩ hệ thống từ cấp độ phân tử. Giáo trình Hĩa sinh đƣợc biên soạn theo đề cƣơng chi tiết học phần Hĩa Sinh trong Chƣơng trình đào tạo kĩ sƣ ngành ―Cơng nghệ sinh học‖ – Trƣờng Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng gồm 15 chƣơng với các nội dung chính là: - Phần I - ―Hĩa sinh cấu trúc sinh chất‖ gồm 8 chƣơng nghiên cứu cấu trúc, tính chất và các chức năng của các sinh chất: cụ thể là mơ tả cấu tạo và các chức năng của protein, gluxit, lipit, vitamin và axit nucleic. - Phần II ―Trao đổi chất và trao đổi năng lƣợng trong tế bào‖ cĩ 7 chƣơng bao gồm các vấn đề về năng lƣợng sinh học và xúc tác sinh học, quá trình đồng hĩa và dị hĩa sinh chất, trao đổi năng lƣợng tích lũy. Xem xét chi tiết quá trình trao đổi protein, gluxit, lipit, vitamin, axit nucleic và mối liên quan giữa các quá trình trao đổi chất. Trong quá trình dị hĩa của protein và các axit nucleic đặc biệt chú trọng đến các vấn đề liên quan tới sinh học phân tử - đĩ là quá trình vận chuyển thơng tin di truyền. Đĩng vai trị then chốt trong quá trình trao đổi chất của tế bào là các chất xúc tác sinh học – gọi là enzyme; trong mối quan hệ đĩ tác giả nhấn mạnh tới các khái niệm cĩ tính nguyên lý nhƣ cấu trúc, động lực học, cơ chế xúc tác, ảnh hƣởng của các yếu tố vật lý và hĩa học lên hoạt tính xúc tác và độ bền của enzyme. Khi làm sáng tỏ các câu hỏi đặt ra về năng lƣợng sinh học tác giả đặc biệt chú ý tới những vấn đề nhƣ các chức năng của màng sinh học, tích lũy dinh dƣỡng nhƣ thế nào để tổng hợp ATP (Adenosine triphosphat). Cũng trong mối liên quan này tác giả + + xem xét chức năng của enzyme xuyên màng tế bào nhƣ Na ,K -ATPase, và các 1 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH protein xuyên màng cĩ vai trị trong vận chuyển các chất từ dịch gian bào và trong dịch tế bào và các chất cặn bã theo chiều ngƣợc lại. - Phần III – ―Phần thực hành‖ nhằm tập dƣợt cho sinh viên các phân tích hĩa sinh thơng thƣờng nhƣ định lƣợng protein, định lƣợng các axit amin, định lƣợng gluxit, định lƣợng lipit, định lƣợng vitamin. Về xúc tác sinh học và trao đổi chất sinh viên sẽ làm quen với các thí nghiệm xác định hoạt độ enzyme và xác định sản phẩm trao đổi chất của gluxit, protein và lipit. Cuối mỗi chƣơng tác giả chú trọng đƣa ra các câu hỏi trọng tâm căn bản nhằm gợi ý và định hƣớng nghiên cứu cho sinh viên. Tác giả trân trọng cám ơn ơng Giám đốc Nhà xuất bản giáo dục tại TP. Đà Nẵng đã tạo điều kiện giúp đỡ xuất bản cuốn sách này. Khi thu thập tài liệu để biên soạn sách Giáo trình ―Hĩa sinh‖ tác giả sử dụng các cơng trình lao động của các nhà khoa học trong và ngồi nƣớc trong lĩnh vực hĩa sinh, nhƣ Lê Ngọc Tú, Hồng Quang, Đỗ Đình Hồ, Nguyễn Xuân Thắng, Phạm Thị Chân Châu, Trần Thị Áng, Nguyễn Hữu Chấn, Mai Xuân Lƣơng, Trần Thị Xơ, Đặng Minh Nhật, E.S. Severina, N.A. Jerebtsov, J. Koolman, K.H. Roehm, I.G. Serbac, Robert K. Munray, Tác giả sẽ rất biết ơn quý độc giả và đồng nghiệp vì những nhận xét chân thành và những ý kiến đĩng gĩp cĩ tính phản biện dựa trên các thành tựu nghiên cứu nhằm phát triển mơn hĩa sinh trong nƣớc và quốc tế để hồn thiện cuốn sách trong lần xuất bản sau. TÁC GIẢ 2 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH MỞ ĐẦU Hĩa sinh (từ tiếng Hy lạp bios – ―sống‖) – là khoa học nghiên cứu về thành phần hĩa học, cấu tạo, tính chất lý hĩa, chức năng sinh học của các chất trong cơ thể sinh vật và các quá trình chuyển hĩa trong quá trình sống của chúng. Sự cần thiết của việc nghiên cứu thành phần hĩa học, cấu trúc sinh chất của tế bào, cũng nhƣ những biến đổi hĩa học trong cơ thể sinh vật đã đƣợc đặt ra từ rất lâu trong lịch sử phát triển khoa học và văn minh con ngƣời. Sự cần thiết đĩ nhằm đạt đƣợc các mục tiêu trong thực tế sản xuất nhƣ trong phát triển nơng nghiệp, chế biến các sản phẩm nơng sản ở quy mơ cơng nghiệp, y học, và giải thích chiều hƣớng phát triển của tự nhiên. Ngày nay, vấn đề quan trọng đặt ra trong nghiên cứu hĩa sinh cho các nhà khoa học là giải thích cơ chế sử dụng các phân tử sinh chất của tế bào chết để tổng hợp nên tế bào sống, mối quan hệ qua lại và sự duy trì trạng thái sống của những tế bào này. Từ định nghĩa hĩa sinh rõ ràng rằng, nếu đứng trên quan điểm các phƣơng pháp nghiên cứu chúng ta cĩ thể chia hĩa sinh ra làm hai phần: tĩnh hĩa sinh và động hĩa sinh. Tĩnh hĩa sinh nghiên cứu thành phần hĩa học tế bào của cơ thể sống và nĩ gần với hĩa hữu cơ. Động hĩa sinh xem xét các quy luật chuyển hĩa của sinh chất và sự chuyển hĩa năng lƣợng trong các tế bào. Xét theo đặc điểm của đối tƣợng nghiên cứu, động hĩa sinh gần với bộ mơn sinh lý học tế bào. Nhƣng hai phần của hĩa sinh cĩ mối quan hệ mật thiết với nhau thể hiện ở chỗ: việc nghiên cứu cơ chế và các con đƣờng chuyển hĩa sinh chất khơng thể thực hiện đƣợc nếu khơng cĩ kiến thức chuyên sâu về tính chất, và những đặc điểm đặc trƣng của sinh chất. Xuất hiện giữa danh giới của bộ mơn hĩa hữu cơ và sinh lý học, nhƣng hĩa sinh khơng thể trở thành bộ mơn liên hợp của những bộ mơn này. Mặc dù hĩa sinh cĩ rất nhiều cái chung so với hĩa hữu cơ (đặc biệt nhƣ các phƣơng pháp ứng dụng để nghiên cứu các hợp chất tự nhiên), nhƣng các nhiệm vụ nghiên cứu đặt ra trƣớc hĩa sinh và hĩa hữu cơ rất khác nhau. Nhiệm vụ của hĩa hữu cơ là nghiên cứu cấu trúc, các tính chất của các hợp chất hĩa học (cơng thức cấu tạo, 3 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH trật tự các liên kết và nguyên lý của sự tạo thành liên kết, đồng phân, cấu hình), các thơng tin này thu đƣợc nhờ các phƣơng pháp đặc hiệu (các phân tích cấu tạo và hĩa lập thể, các phƣơng pháp obital phân tử, tổng hợp, và mơ hình hĩa học). Nhiệm vụ của mơn sinh lí học là nghiên cứu bản chất sinh lí học của các hiện tƣợng sinh học. Nhiệm vụ chính của mơn hĩa sinh là giải thích mối quan hệ mật thiết giữa cấu tạo sinh chất và các chức năng của chúng, sự trao đổi chất và trao đổi năng lƣợng trong tế bào sống, điều khiển và phối hợp các quá trình trao đổi chất và cơ chế vận chuyển thơng tin di truyền ở cấp độ phân tử. Tĩnh hĩa sinh cĩ nhiệm vụ là sáng tỏ các đặc tính của sinh chất – sự phức tạp của chúng, các tổ chức phân tử, sự chuyển tiếp từ mức độ đơn giản đến phức tạp các hợp phần của tế bào. Tổ chức cấu trúc của tế bào sống cĩ thể trình bày bằng sơ đồ sau (m - là khối lƣợng phân tử, Da – dalton hay đơn vị cacbon): Các chất vơ cơ (m= 18-44) (H2O, N2, CO2, O2, P, S) ↓ Monomer (m=50-250) (các nucleotit, axit amin, monoxacarit, axit béo, glycerin) ↓ Các địa phân tử (m= 103- 107) (các axit nucleic, protein, gluxit, lipit) ↓ Các đại phân tử phức tạp (m=103-109) (Các nucleprotein, glycoprotein, lipoprotein) ↓ Các phức hợp trên phân tử (m=106-1010) (các ribosom, nội bào, màng sinh học, các hệ rút gọn) ↓ Các bào quan (m=1011-1013) (nhân, các ti thể, lisosome) ↓ Tế bào (m=1012-1015) Ở cấp độ đầu tiên tổ chức cấu tạo của tế bào đƣợc tạo nên từ các tiền chất cĩ khối lƣợng phân tử nhỏ nhƣ: H2O, N2, CO2, O2, P, S. Từ những chất này tạo thành các phân tử sinh học (các monomer), các phân tử này tiếp tục cấu trúc nên các thành phần của tế bào sống với vai trị là các đơn vị cấu tạo hay đơn vị xây dựng. 4 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH Các monomer liên kết với nhau tạo thành các đại phân tử hay các polymer sinh học, cĩ khối lƣợng phân tử lớn. Phần lớn các đại phân tử của tế bào tƣơng ứng với bốn nhĩm hợp chất cơ bản: các axit nucleic, protein, polysaccharide, lipit. Phân tử của các polymer sinh học này cĩ dạng mạch, các đơn vị cấu tạo trong các mạch này nối với nhau bằng các liên kết cộng hĩa trị bền vững. Đơn vị cấu tạo của các axit nucleic là các nucleotid, trong thành phần của các nucleotid cĩ năm loại kiềm gọi là base nitơ: adenin, guanin, urasin, timin và cystin; đơn vị cấu trúc của protein là 20 axit amin, của các polysaccharide là chuỗi các monosaccharide khác nhau. Mặc dù số lƣợng các đơn vị cấu trúc khơng lớn nhƣng nhờ vào trật tự sắp xếp, tỷ lệ và sự phối trí giữa các đơn vị cấu tạo nên mỗi loại đại phân tử đƣợc tạo nên từ số lƣợng lớn các hợp chất cĩ tính chất khác nhau.Ví nhƣ, từ 20 axit amin cĩ thể tạo nên khoảng 1012 axit amin khác nhau, hay từ 5 nucleotit – tạo nên 1016 dạng axit nucleic khác nhau. Đứng trên quan điểm nhằm phát triển các khái niệm về sự chuyển dịch vật chất từ tế bào chết vào tế bào sống (sự đổi mới tế bào) cần nhận xét rằng, các đại phân tử của các axit nucleic và protein cĩ vai trị mang thơng tin, bởi vì trật tự mặc định của chúng trong các đơn vị cấu tạo thể hiện tính đặc trƣng của bộ gen ứng với từng lồi sinh vật. Ngƣợc lại, các hợp chất gluxit khơng mang thơng tin bởi vì chúng đƣợc tạo nên từ một loại polymer lặp đi lặp lại. Một điều rõ ràng, các đại phân tử mang thơng tin luơn cĩ khả năng thể hiện tính đặc hiệu đặc trƣng thể hiện bằng các vai trị sinh học (ví dụ, khả năng xúc tác, khả năng sao chép). Các đại phân tử cĩ khả năng liên kết với nhau tạo thành các đại phân tử phức tạp hơn (ví dụ, các nucleoprotein, lipoprotein, glycoprotein, glycolipit, ). Sự tƣơng tác giữa các đại phân tử quy định các mức dƣới cấu trúc của phân tử hay các phức chất (ví dụ, các loại màng, ribosome, các enzyme phức tạp, metabolone). Giai đoạn tổ chức tiếp theo – là các bào quan (ty thể, nhân, lục lạp, lysosome) thực hiện các chức năng chuyên biệt khác nhau trong từng tế bào xác định (ví dụ, 5 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH ty thể sản xuất năng lƣợng, lysosome thực hiện chức năng thối hĩa). Cuối cùng, từ các bào quan hợp thành tế bào hồn chỉnh. Quá trình chuyển từ các phân tử sinh học đơn giản thành các cấu trúc sinh học phức tạp đƣợc thực hiện bởi các nguyên lý hĩa lý theo cơ chế tự tổ chức. Nguyên lý căn bản của quá trình tự tổ chức là các tƣơng tác hĩa học giữa các phân tử cĩ trong thành phần vật chất sống. Liên kết cộng hĩa trị cĩ vai trị quan trọng nhất, loại liên kết này cĩ trong tất cả các monomer đơn giản và các đại phân tử. Sự sắp xếp các đại phân tử trong khơng gian và sự tổ chức các mực dƣới cấu trúc (sub unit), các bào quan trong tế bào đƣợc thực hiện bằng lực của liên kết cộng hĩa trị, liên kết hydro, ion, Van de vans. Liên kết cộng hĩa trị tạo sự bền vững và ổn định cho các phân tử sinh học, cịn các lực liên kết yếu hơn tạo ra các mức cấu trúc linh động và quy định động lực học của các cấu trúc sinh học. Hệ thống cấu trúc các bào quan của tế bào là sản phẩm của quá trình tiến hĩa lâu dài của vật chất sống trên Trái Đất. Nhiệm vụ của động hĩa sinh là nghiên cứu sự trao đổi chất hay sự chuyển hĩa của tế bào. Trao đổi chất là tổng số các phản ứng hĩa học diễn ra bên trong tế bào nhờ cĩ dịng năng lƣợng và sự tham gia của các enzyme. Trao đổi chất cĩ thể đƣợc chia thành hai phần chủ yếu: dị hố (catabolism) và đồng hố (anabolism). Đây là hai quá trình đối ngƣợc nhau nhƣng cĩ liên quan chặc chẽ với nhau. Đồng hố cung cấp nguồn nguyên vật liệu để xây dựng nên cơ thể sống, cịn dị hố cung cấp năng lƣợng để thực hiện tồn bộ các hoạt động sống nhƣ co cơ, vận chuyển các chất, tiêu hố thức ăn Trong tế bào trao đổi chất và trao đổi năng lƣợng khơng tách rời nhau. Sự tổng hợp các chất của cơ thể là quá trình tiêu tốn nhiều năng lƣợng. Năng lƣợng phục vụ quá trình này đƣợc cơ thể tích lũy thơng qua các chất dinh dƣỡng lấy từ mơi trƣờng ngồi. Năng lƣợng tự do của các chất dinh dƣỡng đƣợc chuyển hĩa thành năng lƣợng của tế bào ở dạng các hợp chất hĩa học (ATP), khi phân giải 6 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH các liên kết của các hợp chất này năng lƣợng đƣợc giải phĩng ra dƣới dạng nhiệt tỏa trở lại mơi trƣờng và các dạng năng lƣợng khơng cĩ lợi khác của tế bào. Theo quan điểm nhiệt động học cĩ thể xem tế bào sống là một hệ mở, điều này khơng cĩ nghĩa là tế bào nằm trong trạng thái cân bằng với mơi trƣờng nhƣng với ý nghĩa – dịng vật chất và năng lƣợng liên tục chạy qua hệ, làm cho tế bào nằm ở trạng thái cân bằng động. Trạng thái cân bằng nhiệt động lực học (hệ kín của tế bào chết) và trạng thái động học khơng cân bằng (tế bào sống) giống nhau ở chỗ chúng bảo tồn tính chất của hệ theo thời gian. Cốt dễ của sự khác nhau ở chỗ khi hệ cân bằng nhiệt động học khơng xảy ra sự biến đổi năng lƣợng tự do (ΔG = 0), cịn ở trạng thái động học khơng cân bằng năng lƣợng liên tục biến đổi với vận tốc cố định (ΔG = const). Sinh vật tích lũy năng lƣợng từ mơi trƣờng xung quanh: thực vật – hấp thụ năng lƣợng lƣợng tử, động vật và vi sinh vật tích lũy năng lƣợng từ các hợp chất ít oxy hĩa, nhƣng các hợp chất này bị oxy hĩa mạnh trong quá trình hơ hấp. Nhờ năng lƣợng này chúng xây dựng cấu trúc đặc trƣng của lồi. Đặc trƣng của quá trình trao đổi chất trong tế bào là sự điều hịa vận tốc của các phản ứng hĩa học xảy ra. Tế bào sống là hệ trao đổi chất tự điều hịa. Sự tích lũy các hợp chất trung gian (trao đổi chất) ở một lƣợng vƣợt quá mức tới hạn cho phép cĩ vai trị nhƣ là tín hiệu cĩ thể làm giảm tốc độ phản ứng tạo nên các chất đĩ. Các chất xúc tác sinh học đĩng vai trị quan trọng trong điều hịa các quá trình trao đổi chất – gọi là các enzyme. Sự điều hịa trao đổi chất của tế bào cĩ thể thực hiện bằng con đƣờng hoạt hĩa hoặc bất hoạt tác dụng của enzyme, hoặc do sự thay đổi vận tốc tổng hợp nên các enzyme đĩ trong tế bào. Dấu hiệu đặc trƣng nhất của sinh vật sống là sự tái sản xuất và truyền thơng tin di truyền, dấu hiệu này khơng cĩ ở những sinh vật đã chết. Sự đa dạng của sinh giới đƣợc xác định bằng bộ gen, đƣợc mã hĩa trong các axit nucleic. Tất cả thơng tin di truyền đƣợc mã hĩa trong ADN (axit deoxyribonucliec). Điểm đặc biệt của cấu trúc ADN là khả năng tự sao chép và sau đĩ chuyền thơng tin từ thế hệ 7 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH này sang thế hệ khác. Trong quá trình sống của tế bào thơng tin di truyền luơn đƣợc mã hĩa trong ADN, đƣợc ARN vận chuyển trong ribosome, tại đây trật tự mã hĩa các base nitơ tạo ra các cấu trúc protein tƣơng ứng đặc trƣng cho lồi. Trong sinh giới vai trị thơng tin của các axit nucleic đƣợc thực hiện một cách ổn định ở mức độ nghiêm ngặt. Hĩa sinh bắt đầu phát triển nhƣ một ngành khoa học độc lập từ khoảng 100 năm trƣớc, đƣợc đánh dấu với các khám phá của các nhà khoa học về các quá trình xảy ra trong tế bào sống bằng các luận cứ khoa học chính xác dự trên cơ sở hĩa học và vật lý. Thuật ngữ ―Hĩa sinh‖ đƣợc nhà khoa học K. Neiberg đƣa ra vào năm 1903. Trong 50 năm trở lại đây hĩa sinh khơng ngừng phát triển nhƣ một lĩnh vực khoa học lớn. Xuất hiện một số ngành hĩa sinh nhƣ: hĩa sinh con ngƣời, hĩa sinh động vật, hĩa sinh thực vật, enzyme học – khoa học về các chất xúc tác sinh học – hay enzyme, cơng nghệ gen, hĩa sinh lâm sàng, và đang hình thành hĩa sinh sinh thái. Một trong những thành tựu cĩ tính nguyên tắc quan trọng trong sinh học phân tử là sự khám phá nguyên lý bổ sung và giúp giải thích đƣợc cấu trúc xoắn kép của ADN, xác định đƣợc cấu trúc bậc 3 của phần lớn protein, mơ tả các quá trình trao đổi chất và trao đổi năng lƣợng trong tế bào từ đĩ tìm ra những nguyên tắc chung của việc hình các tổ chức vật chất sống. Đã chứng minh đƣợc dù sự đa dạng của sinh vật từ vi khuẩn tới con ngƣời nhƣng cĩ nhiều điểm giống nhau ở cấp độ phân tử. Trong quá trình tổng hợp các đại phân tử những sinh vật này sử dụng cùng một sinh chất giống nhau. Con đƣờng dự trữ, bảo tồn và sử dụng năng lƣợng trong quá trình trao đổi chất của tế bào đều theo một nguyên lý chung, sự truyền thơng tin của bộ gen từ ADN đến ARN và sau đĩ tới protein cũng theo nguyên lý chung đĩ. Hiện nay ngƣời ta đã tiến hành nhiều cơng trình nghiên cứu về cơ chế ―chƣơng trình cái chết của tế bào‖. Hiện tƣợng tế bào tự hủy diệt đã đƣợc lập trình sẵn, cĩ tên khoa học apoptosis. Nếu cơ chế chết của tế bào gặp trục trặc sẽ dẫn đến những căn bệnh hiểm nghèo nhƣ ung thƣ hay những rối loạn gây suy thối hệ thần kinh trong bệnh Parkinson và các bệnh tự miễn nhƣ lupus. Những nghiên cứu đã khẳng định quy trình sinh vật học phức tạp của tế bào sẽ do 8 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH proteasome, một cỗ máy tế bào phức tạp kiểm sốt. Proteasome duy trì sự cân bằng của các protein trong một tế bào đồng thời tiêu diệt những protein khơng cịn cần thiết. Nhƣ vậy, sự phát triển và sự chết đi của sinh vật đƣợc kiểm sốt bởi hệ thống điều tiết của tế bào. Hĩa sinh cĩ vai trị to lớn trong cơng nghệ thực phẩm, phát triển y học và dƣợc phẩm. Bệnh tật của con ngƣời sinh ra liên quan mật thiết với quá trình trao đổi chất, mối liên quan này cũng là cơ sở khoa học quan trọng để giải thích nguyên nhân và các định hƣớng điều trị bệnh tật đĩ. Việc chuẩn đốn và điều trị nhiều bệnh đƣợc chứng minh là dựa trên những thành tựu của hĩa sinh, ngồi ra những thành tựu này cịn cung cấp một số hiểu biết về cơ chế phân tử của sự phát triển các quá trình bệnh lý. Nhƣ vậy, việc nghiên cứu tỉ mỉ các mặt của quá trình trao đổi chất là một trong những nhiệm vụ cĩ tính thời sự trong tiến trình khám phá bản chất sự sống, cĩ giá trị ứng dụng trong y học, chăn nuơi, trồng trọt, cơng nghệ sinh học và cơng nghiệp chế biến nơng sản. Mục đích phát triển nơng nghiệp trồng trọt là thu nhận các hợp chất hĩa học xác định nhƣ protein, lipit, tinh bột, đƣờng, các vitamin để sử dụng làm thức ăn cho con ngƣời hoặc làm nguyên liệu phục vụ cơng nghiệp chế biến. Để điều khiển đƣợc sự phát triển và tăng trƣởng của cây trồng nhằm thu hồi các hợp chất đĩ cần nghiên cứu sâu con đƣờng sinh tổng hợp và các yếu tố ảnh hƣởng lên quá trình đĩ. Ví dụ, cần đặc biệt chú trọng nghiên cứu ảnh hƣởng của các yếu tố khác nhau lên sự tổng hợp và chất lƣợng sinh học protein của đại mạch, sự tổng hợp đƣờng trong củ cải đỏ, tinh bột trong khoai tây, lipit trong hạt hƣớng dƣơng, hay tăng sản lƣợng chăn nuơi gia súc. Để đạt đƣợc các mục tiêu trong nghiên cứu Hĩa sinh ở Việt Nam hiện nay nhiều Bộ mơn hĩa sinh đã đƣợc thành lập trong các Viện Cơng nghệ sinh học, các Trƣờng đại học Y – dƣợc, các trƣờng đại học nơng nghiệp và các trƣờng kỹ thuật trong cả nƣớc. Tại các bộ mơn hĩa sinh nhiều vấn đề cốt lõi của hĩa sinh đƣợc nghiên cứu và giảng dậy nhƣ mối quan hệ giữa cấu trúc phân tử sinh chất, các 9 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH bào quan với chức năng sinh học của chúng, nghiên cứu và phát triển cơ chế xúc tác của enzyme và vai trị của chúng trong trao đổi chất và trao đổi năng lƣợng. Các vấn đề về di truyền phân tử, vận chuyển thơng tin, kỹ thuật gen, năng lƣợng tế bào cũng đƣợc chú trọng nghiên cứu. Đặc biệt phát triển một số vấn đề nghiên cứu cĩ tính thời sự trong y sinh và hĩa sinh các vấn đề sinh thái, mơi trƣờng. 10 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH PHẦN I – HĨA SINH CẤU TRƯC SINH CHẤT 11 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH CHƢƠNG I – TỔNG QUAN VỀ HĨA SINH 1.1. ĐỐI TƢỢNG, PHƢƠNG PHÁP, LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU CỦA HĨA SINH 1.1.1. Định nghĩa: Hĩa sinh là mơn học nghiên cứu về thành phần hĩa học, cấu tạo và tính chất lí hĩa, chức năng sinh học của các chất trong cơ thể và các quá trình chuyển hĩa của chúng trên cơ thể sống. Hĩa sinh học nghiên cứu thành phần cấu tạo hĩa học của sinh chất gọi là ―tĩnh hĩa sinh‖, nghiên cứu quá trình chuyển hĩa các chất trong tế bào và cơ thể sống gọi là ―động hĩa sinh‖, nghiên cứu cơ sở hĩa học của các quá trình hoạt động sống gọi là ―hĩa sinh chức năng‖. 1.1.2. Đối tƣợng nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu hĩa sinh rất rộng lớn gồm thực vật, động vật, vi sinh vật và cả vi-rut. Tùy theo đối tƣợng sinh vật đƣợc nghiên cứu cĩ thể phân chia thành: hĩa sinh động vật, hĩa sinh thực vật, hĩa sinh vi sinh vật, 1.1.3. Phƣơng pháp nghiên cứu: - Phƣơng pháp truyền thống: vật lí, hĩa học, hĩa lí (dùng tia X, nhiễu xạ tia X, hấp phụ lựa chọn, điện di, sắc kí ) - Phƣơng pháp vật lý hiện đại: nhiễu xạ rơnghen, cộng hƣởng từ điện tử, cộng hƣởng từ hạt nhân, đồng vị phĩng xạ đánh dấu các chất, Những phƣơng hƣớng nghiên cứu chủ yếu của Hĩa sinh học ngày nay là tiếp tục tìm hiểu quá trình sinh tổng hợp axit nucleic và protein, sự liên quan giữa biến đổi di truyền với các quá trình bệnh lí; đặc tính các quá trình trao đổi trung gian, cơ chế điều hịa của tế bào, cơ chế tác dụng của hormone nhằm tiến đến chủ động điều khiển mọi hoạt động và quá trình sống theo hƣớng cĩ lợi nhất, nhằm bảo vệ mơi sinh, bảo vệ con ngƣời; mơ hình hĩa các quá trình sống, thực hiện các quá trình sống ở quy mơ cơng nghiệp, tạo ra ngày càng nhiều các chế phẩm sinh học, 12 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH các sản phẩm cĩ giá trị để dùng trong y học, nơng nghiệp, cơng nghiệp. Hĩa sinh gĩp phần giải quyết các vấn đề quan trọng của trồng trọt, chăn nuơi và y học. 1.1.4. Lịch sử nghiên cứu: Các nghiên cứu hĩa sinh đã bắt đầu từ cuối thế kỷ 18. Tuy nhiên, mãi đến cuối thế kỉ 19 đầu thế kỉ 20 Hĩa sinh mới trở thành một ngành khoa học độc lập dựa trên những thành tựu nghiên cứu của Hĩa hữu cơ, Sinh lí học, Y học và các nghành khoa học khác. Mơn hĩa sinh đƣợc hình thành bắt nguồn từ sự phát triển mạnh mẽ của các mơn hĩa học và sinh học vào cuối thế kỉ XIX bƣớc sang thế kỉ XX. Sự hình thành đĩ bắt nguồn từ mơn hĩa học hữu cơ và sinh lý, dựa vào sự tiến bộ của các ngành khoa học khác nhƣ vật lí, hĩa phân tích. Sự xâm nhập của hĩa học vào sinh học với nhiều cơng trình nhƣ: tổng hợp chất hữu cơ urê (Waller 1828), bản chất của sự thở (Lavoisier 1794), vai trị của diệp lục trong quang hợp (Timirazep 1843 – 1920), đặc biệt là các cơng trình về chất xúc tác sinh học enzyme (Kirchhoff, Pasteur, Buchner), các cơng trình về vitamin (Lunin và Funk), các cơng trình về tiêu hĩa (Paplov) cùng với sự phát triển của mơn sinh lí học dẫn đến việc tách riêng mơn hĩa sinh thành mơn độc lập phục vụ cho nhiều ngành, nĩ phát triển nhƣ vũ bão với bề dày các cơng trình ngày một tăng lên. Năm 1897 Eduard Buchner lần đầu tiên chiết đƣợc enzyme thơ từ tế bào nấm men cĩ khả năng thủy phân đƣờng. Trƣớc đĩ khơng lâu Friedrich Miescher phát hiện ra ADN. Mac. Mum (1886) tìm đƣợc cytocrom tham gia hệ thống vận chuyển điện tử ở sinh vật. Danh từ hĩa sinh lần đầu tiên đƣợc nhà hĩa học Đức Carl Neuberg (1903) đề xuất từ hai chữ hĩa và sinh (Biochemistry, Bio = sự sống) đã đƣợc nhiều ngƣời đồng tình và ủng hộ. Sang thế kỉ XX, nhiều phát minh về hĩa sinh đƣợc ghi nhận. Năm 1926 enzyme cĩ bản chất protein đƣợc xác định và urease đƣợc kết tinh lần đầu tiên, thời gian này ATP đƣợc chiết xuất (Fiske và Subbarow 1929), tiếp đĩ là phản ứng ATP – phosphocreatin bởi Lohmann 1932. Đến năm 1940, Lipmann mơ tả vai trị của ATP trong quá trình dự trữ và vận chuyển năng lƣợng. Riboflavin 13 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH đƣợc Kuhr tìm ra năm 1935 cĩ trong thành phần một số enzyme. Tiếp đĩ sau 2 năm, cơng trình hĩa sinh nổi bật của Hans Krebs (1937) tìm ra chu trình acid citric; cùng năm đĩ Lohmann và Shuster tìm ra vitamin B1 là coenzyme của pyruvat decarboxylase. Năm 1944 Avery, Maclesa và Mac Carty chỉ ra ADN cơ sở của sự di truyền mở đầu cho mơn hĩa sinh di truyền, Lipmann và Kaplan (1947 – 1948) tìm ra đƣợc coenzyme A cĩ vai trị trong nhiều phản ứng hĩa học. Kennedy và Lehninger (1950) tìm ra sự thủy phân mỡ, quá trình hơ hấp tế bào, sản sinh ATP ở ty thể. Cấu trúc bậc 1 theo đề nghị của Emil Fisher đã đƣợc Sanger xác định, trong đĩ cĩ insulin đƣợc xác định thứ tự tồn bộ axit amin vào năm 1953. Pauling và Grey (1952) cơng bố cấu trúc bậc 2 dạng xoắn của protein. Năm 1958, Ingram tìm đƣợc cấu trúc của hemoglobin bình thƣờng và lƣỡi liềm. Thành phần acid amin của ribonuclease đƣợc Hirs, Moorse, Stein xác định 1960. Đến năm 1961 là năm cĩ nhiều phát minh về sinh hĩa nhất. Nirenberg, Matthai tìm ra polyuridyl mã hĩa phenylalanin; Jacob, Monob và Changeux tìm ra enzyme dị lập thể. Chính Jacob và Monod tìm ra sự điều hịa gen tổng hợp protein. Cùng thời gian đĩ, nhiều quá trình tổng hợp purin, acid amin, glucid, lipit đƣợc sáng tỏ. Năm 1965 Nirenberg, Khorana, Holley nghiên cứu đƣợc chức phận riêng biệt mã hĩa của acid amin trong quá trình tổng hợp. Nhiều ngành nhỏ trong hĩa sinh ra đời nhƣ hĩa sinh miễn dịch, di truyền, đặc biệt một ngành mới gần đây đã xuất hiện, đĩ là cơng nghệ hĩa sinh. Nhiều giải thƣởng Nobel đã ghi cơng các kết quả nghiên cứu quan trọng, mở ra nhiều cánh cửa mới cho sự phát triển của hĩa sinh nhƣ: hĩa sinh của hệ thống miễn dịch của Snell, Bena Cerraff và Dausset năm 1980; cùng năm ấy Paul Berg cũng đƣợc giải thƣởng Nobel bởi cơng trình nghiên cứu gắn các mẫu ADN; năm 1981 – 1982 thành tựu tổng hợp gen α – interferon gồm 514 đơi base bởi Leicester đã đƣợc thực hiện. Từ đĩ đến nay hàng loạt các cơng trình khác về nghiên cứu hĩa sinh đã áp dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học. Gần đây, năm 1997 giải thƣởng Nobel y học trao cho Staley Prusiner về cơng trình nghiên cứu prion, một khái niệm mới về ―nhiễm khuẩn‖, gây bệnh não thể 14 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH xốp ở ngƣời và động vật. Prion viết tắt là PrP là protein tồn tại hai dang đồng phân alpha và bêta. Ở cơ thể khỏe mạnh thì PrP cĩ dạng alpha cịn khi cơ thể bị bệnh thì dạng alpha bị duỗi ra và xếp thành các băng song song gọi là PrP bêta. Dạng này rất bền với enzyme tiêu hĩa và khơng bị phá hủy ở nhiệt độ cao (đến 2000C). Do vậy prion nhƣ tác nhân gây bệnh hồn tồn mới trong sinh học và y học. Cơng trình khơng chỉ phát hiện ra các tác nhân gây bệnh xốp não mà cịn đặt nền mĩng cho sự tìm hiểu cơ chế mất trí liên quan đến bệnh già và bệnh Alzheimer, cũng nhƣ đặt nguyên tắc chặt chẽ cho việc ghép các cơ quan phủ tạng của động vật cho con ngƣời và thuốc men chế từ động vật dùng cho ngƣời. 1.2. SỰ LIÊN QUAN GIỮA HĨA SINH VỚI CÁC NGHÀNH KHOA HỌC KHÁC Hĩa sinh là nền tảng của các mơn sinh học thực nghiệm nhƣ Cơng nghệ sinh học, Di truyền học, Sinh lí học thực vật, Sinh lí học động vật, Vi sinh học, Sinh học phân tử. Ngồi ra, Hĩa sinh cịn trang bị kiến thức cơ sở cho những ai làm việc trong các lĩnh vực y, dƣợc, nơng lâm nghiệp, cơng nghiệp thực phẩm.v.v Trong lĩnh vực cơng nghệ sinh học, hĩa sinh cĩ vai trị hết sức quan trọng. Nhờ sự phát triển hết sức nhanh chĩng của sinh học nĩi chung, sinh hĩa nĩi riêng nhiều cuộc ―cách mạng‖ trong ngành sinh học đã bùng nổ, giải quyết nhiều vấn đề to lớn cho nhu cầu của con ngƣời nhƣ điều trị bệnh tật, giải quyết các vấn đề lƣơng thực, thực phẩm. Hiện sinh học đang tiến mạnh đến thời kì sinh học phân tử. Hĩa sinh đã giữ vai trị là cơng cụ quan trọng trong sự phát triển của sinh học phân tử cùng với di truyền học và siêu vi khuẩn. Một ngành sinh học phát triển nhƣ thế nào cĩ thể nhìn ở mức độ phát triển hĩa sinh của ngành ấy và đất nƣớc ấy mà đánh giá. Trong di truyền học, ngƣời ta đã đề cập đến những mã di truyền do những base purin và pyrimidin trong cấu trúc ADN. Trong miễn dịch học, một trong những quá trình chống đỡ bệnh tật của cơ thể là sự tạo ra kháng thể cĩ bản chất protein. Cấu trúc và chức năng của nĩ đã đƣợc xác định rõ trong những năm qua là nhờ hĩa sinh. 15 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH Trong y học, hĩa sinh đã đĩng gĩp phần lớn trong việc bảo vệ và khơng ngừng nâng cao sức khỏe của con ngƣời để thanh tốn bệnh tật. Cơng tác phịng và chữa bệnh muốn cĩ kết quả phải chuẩn đốn, theo dõi bệnh tật chính xác, kịp thời nhờ sử dụng tốt cơng cụ hĩa sinh lâm sàng. Hĩa sinh giúp cho con ngƣời hiểu biết sâu xa nguyên nhân bệnh tật nhƣ bệnh tiểu đƣờng do thiếu insulin, bệnh tê phù do thiếu vitamin B1, bệnh học phân tử, bệnh chuyển hĩa do thiếu enzyme. Trong lâm sàng, nhiều xét nghiệm hĩa sinh gĩp phần chuẩn đốn nhanh chĩng và chính xác bệnh tật nhƣ sự tăng cao aminotransferase (GOT, GPT) do bệnh viêm gan hoặc hoạt độ isoenzyme creatinkinase (CK – MB) tăng cao do tế bào tim bị hủy hoại trong nhồi máu cơ tim. Trong nhiều trƣờng hợp, xét nghiệm hĩa sinh giúp cho ngƣời thầy thuốc khơng chỉ theo dõi bệnh tật mà cịn điều chình liều lƣợng thuốc sử dụng cho bệnh nhân. Trong thời kì hiện nay, sự phát triển nhanh chĩng trên tồn cầu về cơng nghệ sinh học, trong đĩ cĩ cơng nghệ sinh học dƣợc, đã tạo ra các loại thuốc, chế phẩm sinh học cĩ hoạt tính cao bằng cách sử dụng nhiều kĩ thuật hĩa sinh và vi sinh hiện đại để tạo ra sản phẩm thuốc cĩ chất lƣợng cao mà giá thành lại hạ. Trong lĩnh vực dinh dƣỡng, vấn đề lớn là xây dựng khẩu phần ăn hợp lí; tăng giảm glucid, lipit, protid nhƣ thế nào cho hợp lí, cũng nhƣ nhu cầu vitamin ra sao cũng cần đến hĩa sinh. Để đảm bảo cho tế bào và cơ thể sống tồn tại, cần cĩ một chế độ dinh dƣỡng đủ năng lƣợng, đủ chất, cĩ tỉ lệ cân đối giữa các thành phần dinh dƣỡng trong khẩu phần. Mỗi chất dinh dƣỡng cĩ thể đƣợc sử dụng cho nhiều quá trình khác nhau trong cơ thể. Tuy nhiên vai trị chủ yếu của mỗi chất lại khác nhau: 1 g lipit cung cấp 9 kcal trong khi 1 g protein hoặc xacarit chỉ cung cấp 4 kcal. Cĩ thể cụ thể hĩa vai trị sinh học của protein là cần cho quá trình tăng trƣởng, lipit và xacarit cung cấp năng lƣợng và vitamin cĩ thể nĩi một cách khái quát là cĩ vai trị bồi bổ sức khỏe. Theo nhiều tài liệu, tƣơng quan giữa protein : lipit : xacarit trong khẩu phần nên là 1:1:5 hoặc 1:1:4 là cân đối dinh dƣỡng và năng lƣợng. Nếu ăn khơng đủ năng lƣợng và khơng đủ các chất dinh dƣỡng cần thiết trong một thời gian tƣơng đối dài sẽ bị ―thiếu dinh dƣỡng‖. Theo tổ chức y tế 16 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH thế giới cĩ 4 loại bệnh thiếu dinh dƣỡng quan trọng nhất hiện nay là: bệnh thiếu dinh dƣỡng protein năng lƣợng, bệnh khơ mắt do thiếu vitamin A, bệnh thiếu máu dinh dƣỡng do thiếu sắt, bệnh biếu cổ địa phƣơng và bệnh kém trí tuệ do thiếu iot. Đặc biệt, tình trạng thiếu dinh dƣỡng phổ biến ở các nƣớc đang phát triển là vấn đề rất nghiêm trọng đang đƣợc quan tâm giải quyết bằng giải pháp của các nghành: y tế, nơng nghiệp và giáo dục. 1.3. NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CHÍNH CỦA TẾ BÀO VÀ CƠ THỂ SỐNG 1.3.1. Đặc điểm chung về thành phần hĩa học. Hàm lượng nước khá lớn: ở ngƣời 58-65%, nhiều lồi cá hơn 80%, sứa đến 98%. Thành phần nguyên tố: Trong cơ thể sống hiện nay tìm thấy 27 trong số gần 100 nguyên tố đã biết. Các nguyên tố cĩ trong thành phần các hợp chất hữu cơ của tế bào và cơ thể sống là C, H, O, N, P, S. Hàm lƣợng C là 43-48%, H: 7%, N: 8-12%. Một số nguyên tố ở dạng ion: Na+, K+, Mg+, Ca+, Cl-, các nguyên tố khác (Mn, Fe, Co, Cu, Zn, B, Al, Mo, I, Si, Sn, Cr, F, Se, Vd) chỉ với lƣợng nhỏ, gọi là các nguyên tố vi lƣợng. Nhƣ vậy ta thấy cĩ sự sai khác rõ rệt về thành phần nguyên tố giữa thế giới sống và khơng sống nhƣ sau: Bốn nguyên tố chủ yếu trong tế bào và cơ thể sống là C, N, O, H trong khi đĩ bốn nguyên tố chủ yếu của vỏ trái đất là O, Si, Al, Fe; Các nguyên tố C và N của cơ thể sống thƣờng ở dạng khử, trong các hợp chất hữu cơ phức tạp; cịn ở mơi trƣờng ngồi hệ thống sống chúng thƣờng tồn tại ở dạng các hợp chất đơn giản nhƣ CO2, N2, cacbonat, nitrat, v.v. Các hợp chất hữu cơ trong cơ thể sống thường cĩ cấu tạo rất phức tạp: khối lƣợng phân tử lớn và rất đa dạng. Ví dụ: vi khuẩn E. Coli nhỏ bé nhƣng chứa gần 5000 kiểu hợp chất hữu cơ khác nhau, trong đĩ cĩ 3000 protein khác nhau. Ở ngƣời cĩ đến 100000 loại protein khác nhau nhƣng chƣa tìm thấy một protein nào 17 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH của ngƣời hồn tồn giống với một trong 3000 protein của E. Coli, mặc dầu các protein cĩ chức năng tƣơng tự nhau. Trong thế giới sống cĩ khoảng 1,5 triệu lồi (species), khoảng 1010 - 1012 loại phân tử protein khác nhau và khoảng 1010 kiểu phân tử axit nucleic. 1.3.2. Đặc điểm các phản ứng hĩa học. Hầu hết các phản ứng đều do enzyme xúc tác, vì vậy chúng cĩ một số đặc điểm chung nhƣ sau: Thứ nhất, cĩ thể xảy ra ở điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thƣờng với tốc độ nhanh gấp hàng trăm, hàng nghìn lần khi xảy ra ngồi cơ thể sống; Thứ hai, nhiều phản ứng khác nhau cĩ thể tiến hành đồng thời trong một phạm vi mơi trƣờng nhất định, liên hệ chặt chẽ với nhau theo một trình tự xác định; Thứ ba, các phản ứng, các quá trình chuyển hĩa đƣợc điều hịa nghiêm ngặt theo những cơ chế tinh vi phức tạp, các sản phẩm phản ứng, sản phẩm trao đổi trung gian cũng đĩng vai trị quan trọng trong cơ chế tự điều hịa này. 1.4. SỰ TƢƠNG TÁC GIỮA CƠ THỂ SỐNG VÀ MƠI TRƢỜNG Thành phần cơ bản của các tế bào và cơ thể sống nằm trong một hệ thống liên hệ và tƣơng tác chặt chẽ với thiên nhiên mơi trƣờng xung quanh. Ví dụ chu trình cacbon, chu trình nitơ. Trong chu trình cacbon: khí CO2 trong khí quyển đƣợc thực vật hấp thụ động vật CO2 vào khí quyển. Lƣợng CO2 do 1 tỉ ngƣời trên hành tinh thải ra là 11 2,9 ×10 kg/năm, tƣơng đƣơng lƣợng CO2 thốt ra khi đốt 115 triệu tấn than. Vi khuẩn hơ hấp cịn mạnh hơn ngƣời vài trăm lần. Trong chu trình Ni-tơ: N2 của khí quyển đƣa vào cơ thể sống nhờ các vi sinh vật cố định nitơ, chuyển N2 thành dạng nitrit, nitrat, acid amin thực vật. Kết quả của quá trình đồng hĩa, dị hĩa ở cơ thể sinh vật, tác dụng của vi sinh vật lại tạo thành N2 đi vào khí quyển 1.5. THỰC TRẠNG VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HĨA SINH Ở VIỆT NAM. 18 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH Ở nƣớc ta, trong hơn 40 năm qua Hĩa sinh đã cĩ những đĩng gĩp nhất định vào các lĩnh vực y học, nơng, lâm, ngƣ nghiệp, cơng nghiệp thực phẩm và cũng đã cĩ đƣợc một số đĩng gĩp cho sự phát triển Hĩa sinh học của thế giới. Các kết quả nghiên cứu hĩa sinh ở nƣớc ta trong thời gian qua tập trung vào một số vấn đề sau: 1.5.1. Về hĩa sinh thực vật, động vật Đã cĩ những nghiên cứu điều tra hĩa sinh một số cây quan trọng nhƣ lúa, đỗ tƣơng, lạc và các loại cây họ đậu khác nhằm phục vụ việc nâng cao năng suất, chất lƣợng dinh dƣỡng của hạt, nâng cao hiệu quả sử dụng chúng. Mặt khác, cũng đã cĩ các nghiên cứu nhằm nâng cao tính chống chịu của những cây trồng quan trọng. Các nghiên cứu tập trung phục vụ lai tạo giống bị, tìm hiểu cơ chế một số bệnh ở lợn, gà và phƣơng pháp phịng trừ; các chế phẩm làm tăng khối lƣợng thịt lợn, gà và các chế phẩm làm tăng tính miễn dịch của động vật. Đặc biệt, các nghiên cứu theo hƣớng tách, tinh sạch enzyme, tạo ra các chế phẩm cĩ độ sạch khác nhau, nghiên cứu tính chất, cấu trúc, liên quan giữa cấu trúc và hoạt tính sinh học của enzyme, khả năng ứng dụng chế phẩm enzyme trong thực tế, ví dụ: bromelin (proteaza của dứa), pepsin, tripsin hoặc chế phẩm pancreatin, glutamilaz vi sinh vật chủ yếu ứng dụng trong cơng nghệ thực phẩm, trong y học. Ngồi enzyme, cĩ các nghiên cứu cơ bản một số protein cĩ hoạt tính sinh học nhƣ protein ức chế tripsin. 1.5.2. Xác định các chỉ tiêu hĩa sinh của ngƣời Việt nam: Những biến đổi của các chỉ tiêu này ở các trạng thái sinh lí, bệnh lí khác nhau hoặc dƣới tác dụng của các yếu tố mơi trƣờng (chất độc hĩa học, bức xạ siêu cao tần v.v.). 19 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH Áp dụng, cải tiến, xây dựng các phương pháp kĩ thuật hĩa sinh hiện đại, đơn giản, nhanh, phục vụ cho cơng tác xét nghiệm hĩa sinh để phịng và chữa trị bệnh kịp thời cũng nhƣ nghiên cứu cơ bản. 20 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH CHƢƠNG II – SACCHARIDE 2.1. ĐỊNH NGHĨA, VAI TRÕ, PHÂN LOẠI SACCHARIDE 2.1.1. Định nghĩa saccharide Saccharide hay carbohydrat là hợp chất hữu cơ rất phổ biến trên Trái Đất. Cơng thức tổng quát của nhiều saccharide là (CH2O)n (n nhỏ nhất bằng 3). Saccharide cĩ phổ biến trong cơ thể động vật, thực vật và vi sinh vật, đƣợc tạo thành từ 3 nguyên tố: C, H, O, ngồi ra trong thành phần saccharide phức tạp cịn cĩ các nguyên tố khác nhƣ N, S, Do tỉ lệ ở các nguyên tố H và O ở đa số saccharide giống nƣớc, nên trƣớc đây saccharide đƣợc gọi là carbohydrate. Sau đĩ ngƣời ta phát hiện thấy một số saccharide khơng giống nƣớc nhƣ deoxyribose (C5H10O4), một số khơng cĩ bản chất saccharide cĩ cấu tạo giống nƣớc (ví dụ: axit lactic 3(CH2O), vì vậy tên gọi carbohydrate chỉ cĩ ý nghĩa lịch sử). 2.1.2. Vai trị sinh học của saccharide Trong cơ thể, saccharide vừa đĩng vai trị cấu tạo, vừa đĩng vai trị chuyển hĩa năng lƣợng. Nĩ cĩ thể đƣợc tổng hợp một lƣợng nhỏ từ lipit và protein, song phần lớn đƣợc cung cấp từ thực vật. Glucid từ thức ăn đƣợc cơ thể hấp thu dƣới dạng glucose là nguồn nhiên liệu chính cung cấp năng lƣợng cho cơ thể, đồng thời đƣợc tổng hợp thành glycogen (vai trị dự trữ), ribose (trong thành phần của acid nucleic), galactose (trong thành phần lactose của sữa), peptitoglican, glycoprotein và glycolipit (trong thành phần màng tế bào), glycosaminoglycan và proteoglycan (trong thành phần matrix ngồi tế bào) Saccharide là những hợp chất hữu cơ đƣợc tổng hợp nhờ quá trình quang hợp của cây xanh. Hàm lƣợng saccharide chiếm khoảng 2% trọng lƣợng khơ trong cơ thể động vật. Ở thực vật, hàm lƣợng saccharide lên đến 80÷90% trọng lƣợng khơ. Cĩ thể cụ thể hĩa vai trị của saccharide nhƣ sau: 21 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH + Polysaccharide là kho dự trữ năng lƣợng, ―nhiên liệu‖ và các chất trao đổi trung gian. Ví dụ: Glycogen ở động vật, tinh bột ở thực vật và các polysaccarite dự trữ dễ dàng chuyển hĩa → glucose ―nhiên liệu‖ đầu tiên tạo ra năng lƣợng dƣới dạng ATP. + Saccharide là yếu tố cấu trúc của thành tế bào (xelulose), hình thành bộ khung bảo vệ nhĩm động vật chân khớp (chitin) + Saccharide là thành phần cấu tạo của nhiều hợp phần quan trọng trong tế bào nhƣ glucoprotein, glucolipit + Các đƣờng ribose, deoxyribose là thành phần cấu tạo nên ADN, ARN. Đĩ là các chất cĩ vai trị lƣu giữ thơng tin di truyền và biểu hiện gen Cĩ nhiều bệnh liên quan đến glucid nhƣ: bệnh đái tháo đƣờng, bệnh galactose huyết, bệnh ứ đọng glycogen, bệnh khơng dung nạp sữa 2.1.3. Phân loại saccharide Dựa vào thành phần cấu tạo và tính chất của saccharide, ngƣời ta chia nĩ thành các nhĩm nhƣ sau: Monosaccharide: đƣờng đơn, là đơn vị cấu tạo, khơng bị thủy phân. Tùy theo số carbon trong mạch saccharide mà cĩ thể gọi tên các đƣờng đơn là: các triose, tetrose, pentose, hexose, heptose, octose Cũng cĩ thể chia monosaccarit thành 2 nhĩm là aldose và cetose dựa vào nhĩm chức aldehyd hay ceton trong phân tử. Oligosaccharide: gồm từ 2÷10 phân tử mono saccharide liên kết với nhau bằng liên kết glycozit (< 10 phân tử đƣờng đơn) Ví dụ: Saccarose, lactose, maltose (disaccarid); Maltosetriose, rafinose (trisaccarid); Oligosaccarid trong glycoprotein cĩ thể chƣa tới 14 monosaccarid. Polysaccharide: gồm nhiều đơn vị đƣờng đơn mono saccharide liên kết với nhau bằng liên kết glycozit, ngƣời ta chia polysaccharide làm hai nhĩm: + Polysaccharide đồng thể: đƣợc cấu tạo từ cùng một loại mono saccharide; 22 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH + Polysaccharide dị thể: đƣợc cấu tạo từ nhiều loại mono saccharide khác nhau, hoặc cĩ thể cĩ thêm các thành phần khác nhƣ: axit sulphuric, axit axetic. 2.2. MONOSACCHARIDE 2.2.1. Cấu tạo và danh pháp saccharide mạch thẳng theo E.Fisher Monosaccharide là dẫn xuất aldehyt hoặc xeton của rƣợu đa chức, cĩ trọng lƣợng phân tử nhỏ. Cĩ thể coi nhƣ những hydratcarbon với cơng thức phân tử chung là (CH2O)n - trong đĩ, n nằm trong khoảng 3÷9. Tùy thuộc vào số lƣợng nguyên tử carbon cĩ trong mạch của mono saccharide mà chúng cĩ tên tƣơng ứng: triose (3C), tetrose (4C), pentose (5C), hexose (6C), Nếu nĩ nằm dƣới dạng aldehyt thì sẽ cĩ thêm tiếp đầu ngữ là aldo-, cịn nằm ở dƣới dạng xeton thì cĩ thêm tiếp đầu ngữ xeto- (ví dụ: Aldo- hexose hay xeto-hextose) Cũng nhƣ axit amin, trong phân tử monose (trừ dehidroxy acetone) cĩ chứa một hay nhiều nguyên tử carbon bất đối, nên chúng cĩ thể tồn tại ở các dạng đồng phân quang học D- hoặc L- với hoạt tính quang học đặc trƣng. Số lƣợng đồng phân quang học của mỗi loại monose đƣợc xác định bằng cơng thức X = 2n, trong đĩ n là số nguyên tử carbon bất đối. Bảng 2.1: Số đồng phân quang học của monosacharide Aldose Số C* Số đồng Cetose Số C* Số đồng phân quang phân quang học học Triose AldoTriose Triose (3C) (Glyxeralde 1 2 (dehidroxy 0 0 hyte) acetone) Tetrose AldoTetrose 2 4 Tetrose 1 2 (4C) Pentose AldoPentose 3 8 Pentose 2 4 (5C) Hexose AldoHexose 4 16 Hexose 3 8 (6C) (Glucose) Dạng D và L biểu thị 2 đồng phân qua gƣơng căn cứ vào mối liên hệ khơng gian với glycerose là đƣờng cĩ 3C. 23 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH D- và L- glyceraldehyde cĩ cấu tạo nhƣ mơ tả trong hình dƣới. Hình 2.1: Đồng phân quang học D- và L- của glyceraldehyde Để phân biệt monosaccharide thuộc dãy D hay dãy L, ngƣời ta căn cứ vào hình thể của nguyên tử carbon bất đối ở vị trí xa nhất so với nhĩm aldehyt hoặc nhĩm ceton (hình 2.1). Nếu hình thể đĩ (vị trí H và OH) tƣơng đồng với D- glyceraldehyd thì monosaccharide này thuộc dãy D, nếu tƣơng đồng với L- glyceraldehyde thì thuộc dãy L. Phần lớn các monosaccharide trong thiên nhiên đều thuộc dãy D. 2.2.2. Cơng thức cấu tạo và danh pháp của saccharide mạch vịng Ngồi dạng mạch thẳng nhƣ đã trình bày ở trên, các monosaccharide cịn cĩ cấu tạo vịng. Sự tạo vịng xảy ra do tác dụng của nhĩm carbonyl với 1 trong các nhĩm -OH rƣợu trong cùng 1 phân tử mono saccharide tạo nên dạng hemiacetal vịng. Điều này giải thích nhƣ sau: Đối với những monosaccharide cĩ 5C trở lên thì cấu tạo mạch thẳng khơng giải thích đƣợc một số hiện tƣợng chuyển quay, chức khử aldehit khơng nhuộm đỏ thuốc thử Schiff và số đồng phân quang học thực tế cao hơn số đồng phân quang học tính theo cơng thức 2n. Hơn nữa hai dạng phổ biến của glucose và fructose trong dung dịch khơng phải ở dạng mạch hở mà là dạng mạch vịng. Quá trình vịng hĩa là do phản ứng giữa aldehit với 1 nhĩm -OH tạo thành hợp chất hemiacetal. Vấn đề này đƣợc nhà bác học Nga Koli (1870) 24 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH đƣa ra và đƣợc nhà bác học Đức Tollens (1883) xác nhận và phát triển đầy đủ hơn. Nhƣ vậy, từ một cơng thức cấu tạo hở của D-glucose cĩ thể tạo nên dạng vịng nhƣ trên hình 2.2. Hình 2.2: Cấu tạo mạch vịng của saccharide Nhĩm -OH gắn vào C1 của dạng aldo hoặc C2 ở dạng xeto trong cơng thức vịng gọi là -OH glucosit. Theo Haworth thì dạng vịng của mono saccharide cĩ thể cĩ 5 hoặc 6 cạnh. Dạng 5 cạnh đƣợc gọi là dạng furanose, kém bền hơn dạng 6 cạnh gọi là dạng pyranose. Dạng cấu trúc vịng pyranose và furanose: sở dĩ gọi nhƣ vậy là vì cấu trúc vịng bền vững của các monosaccaride tƣơng tự với cấu trúc vịng của pyran hay furan. Các cetose cũng cĩ thể cĩ cấu trúc vịng (ví dụ D – fructofuranose hay D - fructopyranose). Trong dung dịch, trên 99% glucose ở dƣới dạng pyranose và chỉ cĩ 1% dƣới dạng furanose. Khi hình thành dạng vịng thì nguyên tử carbon thứ nhất của dạng aldo và thứ hai của dạng xeto trở thành carbon bất đối, nĩ cĩ dạng đồng phân mới là α và β. Theo cơng thức Tollens thì dạng α cĩ -OH hemiacetal ở cùng bên với cầu oxy, cịn dạng β cĩ -OH hemiacetal ở khác bên với cầu oxy. Theo cơng thức Haworth thì dạng α cĩ -OH hemiacetal nằm ở dƣới mặt phẳng vịng, cịn dạng β cĩ -OH hemiacetal nằm ở trên mặt phẳng vịng. Tuy nhiên cách diễn đạt này cĩ thể gây ấn tƣợng sai lầm rằng vịng pyran hay vịng furan cĩ cấu trúc phẳng. Trên thực tế các cấu trúc vịng pyranose cĩ thể cĩ 25 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH cấu trúc dạng ghế hay dạng thuyền, trong đĩ dạng ghế bền vững hơn (hình 2.3). Ngƣời ta cho rằng các loại đƣờng hexose trong tự nhiên tồn tại ở dạng này. Piranose dạng ghế Piranose dạng thuyền α-D-Glucopiranose dạng phong bì Hình 2.3: Các dạng cấu tạo khác của saccharide Các nhĩm chức gắn với vịng pyran ở dạng thuyền hay dạng ghế đƣợc chia làm hai nhĩm: nhĩm trục (a) và nhĩm xích đạo (e), trong đĩ các nhĩm –OH xích đạo dễ tham gia các phản ứng este hĩa hơn các nhĩm –OH trục. Trong dung dịch, mono saccharide tồn tại ở các dạng cấu tạo khác nhau và luơn luơn cĩ một cân bằng động giữa chúng. Ví dụ: Khi pha α-D-glucose vào dung dịch, lúc đầu, dung dịch cĩ gĩc quay đặc hiệu của dạng α là +112°2. Sau đĩ, dạng giảm dần, dạng β tăng lên, nên gĩc quay giảm dần cho đến cân bằng động đƣợc thiết lập, gĩc quay của dung dịch ổn định ở +52°7. Ngƣợc lại, khi pha β-D-glucose vào dung dịch thì hiện tƣợng chuyển quang bắt đầu từ +18°7 tới gĩc quay ổn định là +52°7. Trong dung dịch cấu tạo dạng mạch thẳng ít hơn so với dạng vịng. 2.2.3. Tính chất vật lý Monosaccharide là những chất khơng màu, khơng mùi, khơng bay hơi. Do sự cĩ mặt của nhiều nhĩm -OH trong phân tử nên nhìn chung, monosaccharide là những chất dễ hịa tan trong nƣớc và khơng tan trong các dung mơi hữu cơ; khi cơ đặc sẽ cho các tinh thể, cĩ vị ngọt. 26 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH Trừ dihidroxyaxeton cịn tất cả đều cĩ nguyên tử C bất đối, do đĩ cĩ tính hoạt quang. 2.2.4. Tính chất hĩa học Sự cĩ mặt của nhĩm carbonyl và nhĩm hydroxyl trong phân tử monosaccharide làm cho nĩ cĩ những tính chất hĩa học đặc trƣng của các nhĩm chức đĩ. Mặc dù dạng hở chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ trong dung dịch, song cũng đủ để thể hiện nhiều tính chất của nhĩm carbonyl. 2.2.4.1. Tác dụng của các chất oxy hĩa Monosaccharide là chất khử, dễ bị oxy hĩa axit tƣơng ứng, đồng thời khử kim loại thành dạng cĩ hĩa trị thấp hơn nhƣ Cu2+ Cu+, Ag+ Ag0 - Khi oxy hĩa mạnh HNO3 diaxit gọi là aldaric hay axit saccharide. - Khi oxy hĩa mà chức aldehyt đƣợc bảo vệ axit uronic. Ví dụ: khi oxy hĩa glucoza axit glucouronic, nĩ cĩ vai trị quan trọng trong cơ thể liên kết với chất độc để khử độc (hình 2.4). Tùy thuộc vào điều kiện oxy hĩa các mono saccharide mà ngƣời ta thu đƣợc những sản phẩm khác nhau, ví dụ: oxy hĩa nhẹ bằng nƣớc brom, clo, iod, trong mơi trƣờng kiềm thì sẽ thu đƣợc các axit tƣơng ứng. Riêng với các monosaccharide nằm dƣới dạng xetose thì phản ứng này khơng xảy ra. Hình 2.4: Phản ứng tạo ra axit glucouronic Acid gluconic cĩ mặt tự nhiên trong các loại quả, mật ong, trà kombucha (nấm hồng trà) và rƣợu vang. Trong vai trị của một phụ gia thực phẩm (E574), nĩ 27 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH là chất điều chỉnh độ chua. Nĩ cũng đƣợc sử dụng trong tẩy sản phẩm do nĩ hịa tan các khống chất, đặc biệt là trong dung dịch cĩ tính kiềm. Anion gluconat tạo phức chất chelat với Ca2+, Fe2+, Al3+ và các ion kim loại nặng khác. Canxi gluconat đƣợc sử dụng trong điều trị bỏng gây ra bởi axít flohiđric. Khi oxy hĩa bằng các chất oxy hĩa mạnh hơn, ví dụ nhƣ HNO3 thì cả chức rƣợu bậc một và chức aldehyd đều chuyển thành chức axit (hình 2.5): Hình 2.5: Phản ứng của glucose với chất oxy hĩa mạnh Khi oxy hĩa các aldose bằng dung dịch nƣớc brom, nếu đã bảo vệ chức aldehyd bằng cách metyl hĩa hoặc axetyl hĩa chức đĩ thì quá trình oxyhĩa chỉ xảy ra ở nhĩm rƣợu bậc nhất và sản phẩm thu đƣợc chứa một nhĩm axit gọi là axit uronic (hình 2.6). Hình 2.6: Phản ứng tạo uronic Khi cho monosaccharide tác dụng với muối kim loại nặng (Cu , Hg , ) trong mơi trƣờng kiềm nĩng, monosaccharide sẽ khử các kim loại này. Đặc biệt với thuốc thử Fehling, monosaccharide sẽ khử Cu++ thành Cu+ dƣới dạng oxyt đồng I (Cu2O) kết tủa màu đỏ gạch. Cịn monosaccharide bị oxy hĩa thành axit. Các phản ứng này thƣờng đƣợc dùng để định tính và định lƣợng đƣờng. 28 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH 2.2.4.2.Tác dụng của các chất khử Monosaccharide là chất oxy hĩa dễ bị khử polyalcol tƣơng ứng +Khi khử aldoza 1 polyalcol tƣơng ứng +Khi khử 1 xetoza 2 polyalcol tƣơng ứng Dƣới tác dụng của các chất khử monosaccharide chuyển thành các polyalcol (hình 2.7): Hình 2.7: Phản ứng tạo thành Sorbitol 2.2.4.3. Tác dụng với phenylhydrazin - phản ứng tạo ozazon Trong những điều kiện xác định, một phân tử monosaccharide + 3 phân tử phenylhydrazin - phản ứng tạo ozazon dạng tinh thể. Các ozazon khác nhau về hình dạng tinh thể, nhiệt độ nĩng chảy. Phản ứng này dùng để phân biệt các monosaccharide khác nhau. Các monosaccharide cĩ thể tác dụng với các amin. Ví dụ điển hình nhất về kiểu phản ứng này là tác dụng với phenylhydrazin dƣ: Hình 2.9: Giai đoạn đầu của phản ứng glucose với phenylhydrazin 29 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH Giai đoạn hai tƣơng ứng với sự oxyhĩa ở nguyên tử carbon thứ hai tạo nên nhĩm carbonyl: Hình 2.9: Giai đoạn hai của phản ứng glucose với phenylhydrazin Giai đoạn ba, một phân tử phenylhydrazin thứ ba sẽ tham gia phản ứng với nhĩm carbonyl. Các ozazon thƣờng là các chất tinh thể, vì vậy, cĩ thể dựa vào dạng tinh thể tạo thành để nhận ra loại monosaccharide tƣơng ứng. Hình 2.9: Giai đoạn cuối của phản ứng glucose với phenylhydrazin 2.2.4.4. Sự tạo thành các liên kết glycozit a) Sự tạo thành liên kết glycozit: Tƣơng ứng với các dạng vịng , β của monosaccharide cĩ thể thu đƣợc các dạng liên kết , β glycozit (hình 2.10). Sự tạo thành các liên kết glycozit cĩ thể xảy ra giữa các monosaccharide với nhau để tạo thành oligosaccharide và polysaccharid. Liên kết glycozit cũng cĩ thể xảy ra 30 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH giữa một monosaccharide với một gốc hữu cơ khác khơng phải là saccharide và hợp chất tạo thành thƣờng cho mùi: Hình 2.10: Sự tạo thành liên kết glycozit và mạch polysaccharit b) Phản ứng tạo este: Monosaccharide cĩ thể tạo este khi tác dụng với các axit vơ cơ và hữu cơ nhƣ: CH3COOH, H2SO4, H3PO4, Quan trọng nhất là các este-phosphat nhƣ glucose-6-phosphat, fructose-5-phosphat, fructose-1,6- diphosphat, ribose-5-phosphat, là những hợp chất rất quan trọng trong các quá trình chuyển hĩa trong cơ thể sống (hình 2.11). Hình 2.11: Sự tạo thành liên kết este giữa gluxit với nhĩm phosphat 31 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH 2.2.5. Một số dạng monosaccharide thƣờng gặp 2.2.5.1.Các pentose (5C) Pentose là những monosaccharide chứa 5 carbon, thƣờng gặp trong thành phần của nhiều tổ chức động vật và thực vật, chúng cũng tồn tại một phần ở trạng thái tự do, là sản phẩm trung gian của quá trình quang hợp. Các pentose thƣờng gặp là: Arabinose, Xylose, Ribose, Deoxyribose, Xylulose, Ribulose. Hình 2.12: các pentose mạch thẳng Arabinose: Cĩ vị ngọt, dễ tan trong nƣớc, mạch vịng dạng piranose, ít tan trong rƣợu. Thƣờng gặp trong thành phần của nhựa cây, trong hemicellulose, trong các pentozan, khơng bị lên men bởi nấm men. Xylose: Tồn tại chủ yếu dƣới dạng polysacarit, gọi là xilan và các pentozan, bị lên men bởi các nấm men. Mạch vịng nằm dƣới dạng piranose, cơ thể ngƣời và động vật khơng hấp thụ đƣợc. Ribose: Cĩ mặt trong thành phần của axit nucleic (ARN), trong các coenzyme NAD, trong phân tử ATP, GTP và trong một số vitamin. Mạch vịng tồn tại ở dạng furanose. Deoxyribose: Cĩ mặt trong thành phần của axit nucleic (ADN). Mạch vịng nằm dƣới dạng furanose. Xylulose và ribulose: Hay gặp trong thành phần của thực vật, động vật và vi sinh vật. Các dẫn xuất phosphat của chúng nằm trong chu trình pentosophosphat và chu trình quang hợp. 32 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH 2.2.5.2. Các hexose (6C) Hexose là những monosaccharide cĩ chứa 6 carbon. Các hexose thƣờng gặp là: Glucose, Galactose, Mannose, Fructose. Hình 2.13: Các hexose thƣờng gặp Glucose: Cịn cĩ tên là đƣờng nho hay dexrose, cĩ nhiều trong nho, là cấu tử của nhiều saccharide quan trọng ở ngƣời và động vật. Glucose là cơ chất chuyển hĩa chủ yếu của saccharide. Mạch vịng tồn tại ở dạng piranose. Glucose là thành phần cấu tạo của tinh bột, xenlulose, Mannose: Cĩ mặt trong thành phần của nhiều polysacarit khác nhau nhƣ: các chất nhầy, hemixenlulose, là thành phần cấu tạo của mannan - một polysacarit trong thành phần cấu tạo của màng tế bào nấm men, vi khuẩn. Galactose: Là thành phần cấu tạo của đƣờng lactose, của các polysacarit nhƣ galactan ở thực vật. Dẫn xuất axit galactouronic là thành phần cấu tạo của pectin. Fructose: Là đƣờng cĩ độ ngọt cao, nĩ làm quay mặt phẳng của ánh sáng phân cực sang trái nên cịn cĩ tên gọi là levulose. Fructose cĩ nhiều trong thành phần của mật ong, mật hoa, trong quả, nên cịn cĩ tên là đƣờng quả. Mạch vịng tồn tại dƣới dạng furanose. 2.2.6. Các monosaccarid cĩ vai trị sinh lý quan trọng: Trong quá trình thối hĩa glucose theo con đƣờng đƣờng phân chỉ tạo các dẫn xuất của triose; nhƣng bằng con đƣờng oxy hĩa trực tiếp, một loạt đƣờng đƣợc tạo thành gồm các triose, tetrose, pentose và sedoheptulose. Pentose là thành phần quan trọng của nucleotid, acid nucleic và nhiều coenzyme (bảng 2.2). 33 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH Bảng 2.2: Các pentose cĩ vai trị sinh lý quan trọng Đƣờng Nguồn Tầm quan trọng/ hĩa sinh D – Acid nucleic Tham gia vào cấu tạo của acid Ribose nucleic và coenzyme (ATP, NAD, NADP và các flavoprotein), chất trung gian trong quá trình thối hĩa glucose theo con đƣờng oxy hĩa trực tiếp D– Tạo ra trong các Chất trung gian trong quá trình thối Ribulose phản ứng chuyển hĩa hĩa glucose theo con đƣờng oxy hĩa trực tiếp D– Gơm arabic, gơm Thành phần của glycoprotein Arabinose của mận và anh đào D – Gơm gỗ, Thành phần của glycoprotein Xylose proteoglycan và glycoaminio – glycan D – Cơ tim Thành phần của lyxoflavin đƣợc Lyxose phân lập từ tim ngƣời D – Chất trung gian trong con đƣờng thối hĩa acid uronic Xylulose Các hexose đĩng vai trị sinh lý quan trọng nhất là glucose, galactose, fructose và mannose (bảng 2.3). Glycosid: là những chất đƣợc tạo thành do ngƣng tụ một monosaccarid hay một gốc monosaccarid với một nhĩm hydroxyl của một chất thứ hai cĩ thể là một monosaccarid khác hay cũng cĩ thể khơng phải monosaccarid (trƣờng hợp một glucose hay galactose mà cĩ tên glucose hay galactosid ). Glycosid cĩ trong gia vị, trong nhiều thuốc men và trong thành phần các tổ chức động vật; phần aglycon cĩ thể là một phân tử methanol, glyxerol, sterol hay phenol. Glysosid trợ tim đều là steroid aglycon. Ví dụ: các dẫn xuất của digital và strophantus nhƣ ouabain, một chất ức chế enzyme Na+,K+ - ATPase của màng tế bào. Trong số các glycoside khác cần chú ý đến các kháng sinh nhƣ streptomycin. Các đường khử oxy: là những đƣờng trong đĩ một nhĩm –OH trong cấu trúc vịng đƣợc thay thế bằng một nguyên tử H. Nhiều quá trình sinh học xảy ra do thủy phân một số chất quan trọng để cho các đƣờng khử oxy. Ví dụ 2-deoxyribose tìm thấy trong thành phần của acid nucleic (ADN); L-fucose (6-deoxy-galactose) và 34 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH 2-deoxyglucose (một chất ức chế quan trọng trong chuyển hĩa glucose) đƣợc tìm thấy trong thành phần của các glycoprotein. Bảng 2.3: Các hexose cĩ vai trị sinh lý quan trọng Đƣờng Nguồn Tầm quan trọng Dấu hiệu lâm sàng Các dịch, thủy Đƣờng vận Cĩ trong nƣớc phân tinh bột, chuyển qua máu và là tiểu của ngƣời bị D- đƣờng mía, maltose dạng sử dụng chính bệnh tiểu đƣờng glucose và lactose của các tổ chức. kèm theo tăng glucose máu. Các dịch, mật Cĩ thể biến đổi Do khơng dung ong, thủy phân thành glucose ở gan nạp fructose bẩm D-Frutose đƣờng mía và inulin và ruột, do đĩ cĩ thể sinh gây tích lũy (chứa trong đƣợc cơ thể sử dụng. fructose và hạ artichauts) đƣờng huyết. Cĩ thể biển đổi Khơng cĩ khả thành glucose ở gan năng chuyển hĩa, và đƣợc chuyển hĩa, gây galactose huyết đƣợc tổng hợp ở và bệnh đục thủy D- Thủy phân tuyến vú để tạo tinh thể. Galactose lactose lactose/sửa mẹ, là thành phần của glycolipit và glycoprotein. D- Thủy phân một Là thành phần Mannose số gơm và nhựa cây của nhiều glycoprotein. Đường amin: D-glucosamin, D-galactosamin và D-mannosamin đều là những đƣờng amin cĩ trong tự nhiên. Glucosamin là thành phần cấu tạo của acid hyaluronic; galactosamin tham gia cấu tạo của chondroitin (xem phần polysccarid tạp). Nhiều kháng sinh cĩ chứa trong phân tử các đƣờng amin (ví dụ erythromycin và carbomycin), chứng tỏ cĩ thể cĩ mối liên quan giữa hoạt tính kháng sinh với đƣờng amin trong phân tử. 2.3. OLIGOSACCHARIDE Là hợp chất trung gian nằm giữa monosaccharide và polysacarit, cĩ từ 2÷10 gốc monosaccharide liên kết với nhau bằng liên kết glycozit. Tùy theo số gốc monosaccharide sĩ trong thành phần phân tử mà ngƣời ta cĩ tên gọi tƣơng ứng: 35 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH di-, tri-, tetra-sacarit. Oligosaccharide cĩ một số tính chất của monosaccharide, đồng thời, nĩ cũng cĩ một số tính chất của polysacarit nhƣ: Dễ hịa tan trong nƣớc và dễ kết tinh, thủy phân thì sẽ làm đứt liên kết glycozit và giải phĩng ra các monosaccharide. Trong nhĩm oligosaccharide này, chúng ta sẽ đề cập chủ yếu đến một số disacarit quan trọng và thƣờng gặp. 2.3.1. Disaccharide Cơng thức chung là C12H22O11. Disacarit là do 2 monosaccharide kết hợp với nhau, tùy theo kiểu kết hợp mà ngƣời ta chia làm 2 nhĩm: disacarit khử và disacarit khơng khử. Disacarit khử tiêu biểu nhƣ mantose, lactose, trong thành phần phân tử của chúng cịn chứa nhĩm -OH glycozit. Disacarit khơng khử tiêu biểu nhƣ sacarose, trong thành phần phân tử của chúng khơng chứa nhĩm -OH glycozit (bảng 2.4). Bảng 2.4: Các disaccdaride quan trọng Đƣờn Nguồn gốc Ý nghĩa g Malto Do tiêu hĩa bởi amylase hay thủy se phân tinh bột, cĩ trong mạch nha và ngũ cốc đang nẩy mầm Lacto Từ sữa đơi khi bài xuất ra nƣớc tiểu Khi thiểu hụt lactase, hấp thu se trong quá trình thai nghén kém do ỉa chảy và đầy hơi Sacca Cĩ trong đƣờng mía, củ cải đỏ và rễ Khi thiếu hụt sucrase, hấp rose cà rốt thu kém do ỉa chảy và đầy hơi Trehal Cĩ trong nấm và men bia, là đƣờng ose chủ yếu của hạch bạch tuyết ở cơn trùng 2.3.1.1. Sacarose Sacarose cấu tạo từ glucose và fructose, liên kết với nhau bằng liên kết -(1,2)  - glycozit. Hai monosaccharide này liên kết với nhau nhờ 2 nhĩm -OH glycozit nên đƣờng này thuộc loại đƣờng khơng khử vì khơng cĩ nhĩm -OH tự do. Nhĩm - OH glycozit ở C1 của glucose liên kết với nhĩm -OH glycozit ở C2 của fructose. Khi thủy phân sacarose sẽ thu đƣợc hỗn hợp gồm glucose và fructose gọi là đƣờng 36 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH nghịch đảo vì glucose cĩ gĩc quay (+) cịn sacarose cĩ gĩc quay (-). Sacarose - cịn gọi là đƣờng mía hay đƣờng củ cải, rất phổ biến trong thiên nhiên, cĩ ý nghĩa quan trọng trong đáp ứng dinh dƣỡng của ngƣời. Hình 2.14: Đƣờng sacarose Sacarose dễ hịa tan trong nƣớc, khơng tan trong dung mơi hữu cơ và khi tác dụng với kim loại kiềm thổ thì sẽ tạo thành sacarat hịa tan, đặc biệt là sacarat tricanci C12H22O11. 3CaO. 3H2O. Sacarose bị thủy phân bởi enzyme invectase, sản phẩm dễ dàng bị lên men bởi nấm men. 2.3.1.2. Maltose Hình 2.15: Đƣờng maltose 37 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH Maltose cấu tạo từ 2 phân tử glucose, kết hợp với nhau nhờ nhĩm -OH glycozit của phân tử này với nhĩm -OH rƣợu ở nguyên tử carbon thứ 4 của phân tử glucose kia. Vì vậy, nĩ thuộc loại đƣờng khử, khả năng khử yếu hơn glucose 2 lần. Khi thủy phân bằng enzyme amylase hoặc kiềm, thu đƣợc 2 phân tử glucose. Mantose ít gặp ở trạng thái tự do, thƣờng thu nhận bằng cách thuỷ phân tinh bột. Maltose cịn cĩ tên gọi là đƣờng nha. 2.3.1.3. Lactose Hình 2.16: Đƣờng lactose Cấu tạo từ 1 phân tử galactose và 1 phân tử glucose, kết hợp với nhau nhờ nhĩm -OH glycozit của galactose và -OH rƣợu ở carbon thứ 4 của glucose nên nĩ cĩ tính khử. Lactose cĩ trong sữa ngƣời và động vật nên cịn gọi là đƣờng sữa. 2.3.1.4. Cellobiose Cellobiose cĩ nhiều trong vách tế bào thực vật (cellulose): Cellobiose bị thủy phân bởi enzyme cellulase. Hình 2.17: Đƣờng cellobiose 38 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH 2.3.2. Trisacarit (rafinose): Hình 2.18: Rafinose Trisacarit (rafinose) cĩ trong thành phần của hạt bơng, củ cải đƣờng. Rafinose tinh thể khơng cĩ vị ngọt, hịa tan trong nƣớc. Thủy phân nhẹ bằng axit trong thời gian ngắn ở nhiệt độ khơng cao, hoặc thủy phân bằng enzyme invectase sẽ giải phĩng fructofuranose. Rafinose khơng cĩ tính khử. Sự phân giải rafinose nhờ enzyme ở các vị trí khác nhau nhƣ sau: Hình 2.19: Sự phân giải rafinose 2.4. POLYSACARIT Đƣợc cấu tạo bởi nhiều monosaccharide liên kết với nhau nhờ các kiểu liên kết α- hoặc β-glycozit. Trong thành phần của một polysacarit cĩ thể chỉ cĩ một loại monosaccharide hoặc cĩ thể cĩ nhiều loại monosaccharide khác nhau cấu tạo nên. Nếu cùng loại, ngƣời ta gọi là monosaccharide đồng thể, nếu nhiều loại thì gọi là monosaccharide dị thể. Để gọi tên các polysacarit đồng thể, ngƣời ta dựa vào thành phần các monosaccharide cĩ mặt trong phân tử mà thay thế đuơi -ose thành -an. Ví dụ một polysacarit đƣợc cấu tạo nên từ một loại đƣờng là glucose đƣợc gọi là glucan, từ mannose gọi là mannan, 39 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH Tùy theo nguồn gốc của polysacarit mà ngƣời ta chia ra thành các nhĩm: polysacarit thực vật, polysacarit động vật, polysacarit vi sinh vật. Dƣới đây chúng ta sẽ xét một số polysacarit thƣờng gặp và cĩ nhiều ứng dụng trong cơng nghiệp, đặc biệt trong lĩnh vực sản xuất và chế biến thực phẩm. 2.4.1. Tinh bột Là nguồn saccharide quan trọng trong khẩu phần thức ăn của ngƣời và động vật. Tinh bột là một polysacarit cĩ nguồn gốc thực vật, là chất dự trữ của thực vật, cĩ nhiều trong các loại củ nhƣ khoai lang, khoai tây, sắn, , trong các loại hạt ngũ cốc nhƣ lúa, lúa mì, bắp , đƣợc tích tụ trong tế bào dƣới dạng hạt, cĩ hình dạng, kích thƣớc cấu tạo khác nhau tùy nguồn gốc. Phản ứng đặc trƣng để nhận biết tinh bột là tác dụng với iod, cho màu xanh tím đặc trƣng. Tinh bột do hai hợp phần cấu tạo nên là amylose và amylopectin. Tỷ lệ amylose và amylopectin trong tinh bột thay đổi tùy theo loại tinh bột, nhƣng thƣờng nằm trong khoảng 10÷30 % amylose và 70÷90% amylopectin (hình 2.10). Amylose và amylopectin khác nhau về cấu tạo và tính chất: Hình 2.20: Cấu trúc tinh bột 2.4.1.1. Amylose Tan trong nƣớc ấm, cĩ cấu tạo mạch chuỗi thẳng do các đơn vị α, D- glucose liên kết với nhau bằng liên kết α(1,4)-glycozit. Mạch amylose cĩ thể cuộn xoắn. Amylose cho màu xanh với iod và cĩ độ nhớt thấp khi hồ hĩa. Khối lƣợng phân tử phụ thuộc vào nguồn gốc của loại tinh bột. Ví dụ amylose của ngơ, gạo nằm trong 40 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH khoảng 100000÷200000 kdal, trong khi đĩ amylose khoai tây cĩ trọng lƣợng trung bình là 400000 kdal. Trong hạt tinh bột, trong dung dịch, amylose thƣờng cĩ cấu hình mạch giãn ở trạng thái tinh thể amylose cĩ cấu hình xoắn ốc, mỗi vịng xoắn gồm 6 đơn vị glucose, đƣờng kính của xoắn ốc là 12,97A°, chiều cao của vịng xoắn là 7,91A°, các nhĩm - OH nằm ở phía ngồi cịn các nhĩm -C-H nằm ở bên trong. Hình 2.21: Các liên kết glycozit của amylose 2.4.1.2. Amylopectin Khơng tan trong nƣớc ấm, cĩ độ nhớt cao khi hồ hĩa. Cho màu tím với iod. Amylopectin cĩ cấu tạo mạch phân nhánh, do các đơn vị α, D-glucose liên kết với nhau bằng liên kết α(1,4)-glycozit và α(1,6)-glycozit. Mạch nhánh cĩ độ dài thƣờng ngắn hơn mạch chính, độ dài của mạch nhánh khoảng 20÷25 đơn vị glucose. Hình 2.22: Các liên kết glycozit của amylopectin Tinh bột bị thủy phân tạo thành các sản phẩm trung gian gọi là dextrin, các dextrin cĩ trọng lƣợng phân tử khác nhau cho màu khác nhau với iod. Khi thủy phân tinh bột, tùy theo tác nhân thủy phân mà sản phẩm cuối cùng cĩ thể nhận đƣợc là glucose, mantose hay hỗn hợp glucose, mantose, dextrin. 41 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH Tinh bột đƣợc sử dụng rộng rãi trong kỹ nghệ thực phẩm nhƣ sản xuất chất "gơm" trong mứt kẹo, chế biến các gel thực phẩm. Tinh bột giàu amylose cĩ thể dùng để chế tạo các màng bao ăn đƣợc để bọc kẹo, bọc thuốc viên. Ngồi ra, tinh bột và dẫn xuất của nĩ cũng đƣợc ứng dụng trong nhiều nghành cơng nghiệp nhƣ dệt, giấy, sơn, kỹ thuật điện di, sắc ký, 2.4.2. Cellulose Là polysacarit chủ yếu của màng tế bào thực vật. Cellulose đƣợc cấu tạo từ các phân tử β, -D glucose, các phân tử này liên kết với nhau bằng liên kết β(1,4) glycozit. Cellulose khơng hịa tan trong nƣớc. Khi thủy phân cellulose bằng axit mạnh, sản phẩm cuối cùng thu đƣợc là glucose. Nếu thủy phân trong điều kiện nhẹ nhàng sẽ nhận đƣợc disacarit là cellobiose. Hình 2.23: Liên kết glycozit của cellulose Phân tử cellulose cĩ dạng hình sợi, liên kết với nhau nhờ liên kết hydro và tạo thành từng nhĩm, gọi là mixel. Các dẫn xuất từ cellulose đƣợc sử dụng trong nhiều nghành cơng nghiệp nhƣ: + Nitrocellulose: dùng làm chất no, sợi nhân tạo + Axetylcellulose: dùng làm sợi nhân tạo + Carboxymetylcellulose, dietyllaminoetyl-cellulose: dùng trong sắc ký trao đổi ion + Một số dẫn xuất tan trong nƣớc của cellulose nhƣ Natri Carboxymetyl- cellulose (NaCMC), Hydroxyetylcellulose (HEC), Metylcellulose (MC), cũng đƣợc sử dụng nhiều trong cơng nghiệp. NaCMC là một keo ƣa nƣớc, đƣợc sử dụng trong sản xuất chất tẩy rửa tổng hợp, để hồ vải, NaCMC đƣợc sử dụng nhƣ chất ổn định nhũ tƣơng. HEC đƣợc sử dụng nhƣ một chất làm đặc trong sơn 42 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH latex, nĩ cũng đƣợc thêm vào thành phần của ximăng Pooclant để ngăn chặn sự mất nƣớc. MC đƣợc sử dụng trong sản xuất gốm để tạo độ kết dính, nĩ cũng đƣợc sử dụng nhƣ một loại keo bảo vệ và chất ổn định trong các sơn lĩt nhiều màu. MC khơng độc nên cũng đƣợc dùng nhiều trong cơng nghiệp dƣợc phẩm, mỹ phẩm và thực phẩm. Cellulose khơng cĩ vai trị dinh dƣỡng trong cơ thể con ngƣời, vì dịch tiêu hĩa của ngƣời khơng cĩ enzyme để cắt đứt các liên kết β(1,4) glycozit. Nhƣng trong khẩu phần thức ăn của ngƣời luơn luơn cĩ thành phần cellulose. Cellulose ăn vào hàng ngày từ hoa quả, rau, giúp cơ thể dễ tiêu hĩa thức ăn, do nĩ làm cho nhu động ruột tốt, dễ dàng. Ngồi ra, cellulose cịn giúp ruột già đào thải những chất bã, chống lại sự táo bĩn. 2.4.3. Hemicellulose và lignin Hemicellulose là tập hợp bao gồm nhiều loại polysacarit khác nhau cĩ kích thƣớc phân tử nhỏ. Các thành phần chủ yếu trong dịch chiết hemicellulose là xylan, pentosan, mannan, galactan. Khơng cĩ một hemicellulose nào đƣợc mơ tả một cách rõ ràng. Lignin khơng phải là polysacarit mà là polymer thơm đi cùng với polysacarit trong tế bào thực vật. Lignin khơng bị phân huỷ bởi axit, tan tốt trong kiềm nĩng, bisulfit, ngƣng tụ với phenol. Lignin khơng tan trong nƣớc, trong các dung mơi hữu cơ thơng thƣờng và ngay cả trong axit sulfurit đặc. 2.4.4. Pectin Pectin là polysacarit của thực vật, tồn tại dƣới 2 dạng: Protopectin khơng tan (tồn tại chủ yếu dƣới dạng liên kết ở thành tế bào) và dạng pectin hịa tan (tồn tại chủ yếu ở dịch tế bào). Dƣới tác dụng của axit, của enzyme protopectinase hoặc khi đun sơi, protopectin chuyển sang dạng pectin hịa tan. Đặc tính quan trọng của pectin là khi cĩ mặt axit và đƣờng, nĩ cĩ khả năng tạo thành chất keo (gel), vì vậy, nĩ đƣợc ứng dụng trong kỹ nghệ sản xuất mứt kẹo. 43 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH Pectin hịa tan là polysacarit, cấu tạo từ các gốc axit galacturonic, trong đĩ, một số gốc axit cĩ chứa nhĩm thế metoxy (-OCH3). Tỷ lệ metyl hĩa đƣợc biểu hiện bằng chỉ số metoxy. Tên gọi pectin dùng để chỉ các chuỗi polygalaturonic metyl hĩa 100%. Tên gọi axit pectinic để chỉ chất đƣợc metyl hĩa thấp hơn 100%. Cịn axit pectic để chỉ axit polygalacturonic hồn tồn khơng chứa nhĩm metoxy. Nhƣng trong thực tiễn thì tên pectin dùng để chỉ cả axit pectinic và pectin. Dƣới tác dụng của kiềm lỗng và enzyme pectase, thì nhĩm –OCH3 sẽ giải phĩng và tạo thành CH3OH và axit pectic, axit này tạo với canxi thành pectat canxi và kết tủa, do đĩ, đƣợc dùng để định lƣợng pectin. Dƣới dạng axit pectic tự do (axit polygalacturonic), nĩ mất khả năng tạo gel khi cĩ đƣờng, vì vậy, để duy trì khả năng tạo gel của pectin hịa tan cần tránh sử dụng mơi trƣờng kiềm hoặc tác dụng của enzyme pectase. Khả năng tạo gel của pectin phụ thuộc chủ yếu vào 2 yếu tố: chiều dài của mạch phân tử và mức độ metyl hĩa. Chiều dài của phân tử quyết định độ cứng của gel. Để cĩ thể tạo gel, phân tử phải cĩ chiều dài nhất định, nếu chiều dài phân tử quá thấp thì khơng thể tạo đƣợc gel. Hình 2.24: Liên kết glycozit của pectin Pectin cĩ chỉ số metyl hĩa cao thì số lƣợng các nhĩm -COO- thấp. Khi cĩ mặt của đƣờng, axit, mức độ hydrat hĩa cĩ thể giảm thấp, khi đĩ, các phân tử pectin liên kết với nhau trong quá trình tạo gel chủ yếu nhờ các cầu hydro giữa các nhĩm hydroxyl. Kiểu liên kết này khơng bền, do đĩ, các gel tạo thành sẽ mềm dẻo do tính di động của các phân tử trong khối gel (mứt quả nghiền, nƣớc quả đơng, ). 44 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH Khi chỉ số metyl hĩa thấp, nghĩa là tỷ lệ các nhĩm –COO- cao, thì các liên kết giữa những phân tử pectin sẽ là liên kết ion qua các ion hĩa trị 2, đặc biệt là Ca++. Ý nghĩa thực tế của các pectin cĩ chỉ số metyl hĩa thấp là nĩ cho phép chế tạo mứt quả đơng, sữa đơng mà khơng cần thêm đƣờng. Gel pectin cĩ chỉ số metoxy thấp, thƣờng cĩ tính chất đàn hồi giống nhƣ gel aga-aga. Pectin lấy từ các nguồn khác nhau sẽ khác nhau về khả năng tạo gel (vì do chiều dài phân tử khác nhau và chỉ số metyl hĩa khác nhau). Pectin giữ vai trị quan trọng trong quá trình chín của quả. Khi quả đang phát triển, protopectin phân tán ở thành tế bào và chiếm tỷ lệ cao. Khi quả bắt đầu chín, dƣới tác dụng của enzyme protopectinase, protopectin chuyển dần sang dạng pectin hịa tan. 2.4.5. Aga-aga Aga-aga là polysacarit tập trung trong một số loại rong biển. Nĩ khơng tan trong nƣớc lạnh. Khi đun nĩng, nĩ bị hịa tan, nếu để nguội sẽ đơng lại thành một khối. Nĩ là một hỗn hợp của agarose và agaropectin. Agarose chứa các gốc D- và L-galactopiranose. Các gốc này liên kết với nhau bằng liên kết α(1,3) glycozit, cịn cấu trúc của agaropectin chƣa đƣợc biết đầy đủ nhƣng trong thành phần của nĩ cĩ chứa các gốc galactopiranose đƣợc gắn với gốc sulphat. Aga-aga đƣợc sử dụng trong cơng nghiệp thực phẩm và làm mơi trƣờng đặc để nuơi cấy vi sinh vật. 2.4.6. Glycogen Là saccharide dự trữ của động vật, là nguồn cung cấp năng lƣợng chính của ngƣời và động vật, cĩ nhiều trong gan, cơ, Glycogen cĩ vai trị quan trọng trong chuyển hĩa saccharide ở cơ thể động vật. Glycogen hịa tan trong nƣớc nĩng. Khi tác dụng với iod cho màu đỏ tím hay đỏ nâu, giống màu của amylopectin với iod. Cấu tạo của glycogen gần giống nhƣ amylopectin, nghĩa là trong phân tử cĩ chứa liên kết α(1,4) và α(1,6) glycozit - nhƣng mức độ phân nhánh mạnh hơn: thƣờng cứ 8÷10 đơn vị glucose ở mạch chính với liên kết α(1,4) thì cĩ một mạch 45 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH nhánh với liên kết α(1,6). Độ dài của mạch nhánh ngắn hơn so với độ dài mạch nhánh của amylopectin, mỗi mạch nhánh cĩ khoảng 8÷12 đơn vị glucose. 2.4.7. Chitin Là thành phần chủ yếu của mơ biểu bì cơn trùng và giáp xác, vỏ tơm, cua, Đơn vị cấu tạo cơ bản là N-axetyl-β-D glucosamin, là dẫn xuất của glucose, cơng thức cấu tạo nhƣ sau: 2.25: Các liên kết glycozit của của chitin Chitin khơng tan trong nƣớc, trong axit và kiềm lỗng. Khi đun chitin trong dung dịch đậm đặc của một số muối, nĩ cĩ thể bị hịa tan. CÂU HỎI ƠN TẬP: 1. Nêu vai trị của glucid và phân nhĩm glucid? 2. Nêu đặc điểm cấu tạo và danh pháp monosacharide mạch thẳng theo E.Fisher. Nêu một số hạn chế của cơng thức cấu tạo theo E. Fisher. 3. Nêu đặc điểm cơng thức cấu tạo saccharide theo Haworth, danh pháp saccharide theo Haworth. 4. So sánh đồng phân dạng α-D glucose và α-D fructose theo hai cơng thức E.Fisher và Haworth. 5. Phản ứng hĩa học nhận biết glucose, tinh bột và đường saccarose. 6. Liên kết glycozit tạo thành như thế nào? Phân loại hợp chất glycozit? Nêu ý nghĩa của liên kết glycozit? 7. Nêu đặc điểm cơ bản của các đường: glucose, fructose, mannose, galactose. 46 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH 8. Khái niệm oligosacharide? Nêu sản phẩm thủy phân bằng acid của các đường đơi sau: Saccarose, Maltose, Lactose, Celobiose. 9. Phân loại polysaccharide theo nguồn gốc: thực vật, động vật, vi sinh vật CHƢƠNG III – LIPIT 3.1. GIỚI THIỆU CHUNG 3.1.1. Khái niệm và đặc điểm của lipit Tên gọi lipit xuất phát từ chữ Hy lạp ―lipos‖ cĩ nghĩa là chất béo. Lipit cĩ đặc điểm quan trọng là khơng tan trong nƣớc, chỉ tan trong các dung mơi hữu cơ nhƣ ete, benzen, cồn etanol, Lipit là nhĩm hợp chất hữu cơ tự nhiên rất phổ biến trong tế bào động vật và thực vật. Ở động vật lipit tồn tại dƣới dạng mỡ (mỡ lợn, mỡ bị ), ở thực vật, lipit tồn tại dƣới dạng dầu (dầu lạc, dầu vừng, dầu hƣớng dƣơng ). Lipit là thành phần quan trọng trong thức ăn khơng chỉ vì nĩ cĩ giá trị năng lƣợng cao nhất (9,3 Kcal/g) so với glucid (4,1 Kcal/g) và protein (4,2 Kcal/g) mà cịn vì nĩ chứa các vitamin tan trong dầu cũng nhƣ các acid béo cần thiết là những chất khơng thể thay thế đƣợc. 3.1.2. Vai trị của lipit Trong cơ thể, lipit dự trữ ở mơ mỡ đĩng vai trị ngăn nhiệt ở những tổ chức dƣới da và xung quanh một số cơ quan, cịn các lipit khơng phân cực lại cĩ tác dụng cách điện cho phép truyền nhanh các sĩng khử cực theo trục sợi thần kinh. Tổ chức thần kinh cĩ hàm lƣợng lipit rất cao. Phức hợp lipoprotein là thành phần quan trọng của màng tế bào và ty thể ở bào tƣơng, đồng thời cũng là phƣơng tiện vận chuyển lipit trong máu. Cĩ thể cụ thể hĩa một số vai trị của lipit nhƣ sau: + Là thành phần cấu tạo nên màng sinh học (phospholipit, glicolipit). 47 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH + Là cofactor của một số enzyme (nhân tố khơng phải là protein nhƣng cần thiết cho hoạt động của enzyme, bắt buộc phải cĩ nhân tố này, nếu khơng enzyme sẽ khơng hoạt động). + Là thành phần của một số hormone và chất vận chuyển thơng tin nội bào. + Là nguồn năng lƣợng dự trữ quan trọng, cung cấp năng lƣợng cho cơ thể (1gram lipit khi bị oxy hĩa cho 9,3 kcal) + Là dung mơi của nhiều chất cĩ hoạt tính sinh học (các vitamin tan trong chất béo) + Bảo vệ các cơ quan khỏi bị chấn động cơ học. 3.1.3. Phân loại lipit Dựa vào phản ứng xà phịng hĩa cĩ thể chia lipit thành hai nhĩm sau: + Lipit cĩ thể xà phịng hĩa đƣợc: bao gồm các lipit cĩ chứa axit béo cao phân tử trong cơng thức cấu tạo nhƣ glyxerit, glyxerophospholipit và sáp. + Lipit khơng xà phịng hĩa đƣợc: bao gồm các lipit khơng cĩ chứa axit béo cao phân tử trong cơng thức cấu tạo nhƣ các hyđrocacbon, các chất màu và các sterol. Dựa vào thành phần cấu tạo của lipit cĩ thể chia lipit thành hai nhĩm chính sau: + Lipit đơn giản: là este của rƣợu và axit béo. Thuộc nhĩm này gồm cĩ: glyxerit, sáp và sterit. + Lipit phức tạp: trong phân tử của chúng ngồi axit béo và rƣợu cịn cĩ các thành phần khác nhƣ axit phosphoric, bazơ nitơ, đƣờng. Thuộc nhĩm này gồm cĩ các lipit sau: glixerophospholipit, glixeroglucolipit, sphingophospholipit, sphingoglucolipit. 3.2. THÀNH PHẦN CẤU TẠO CỦA LIPIT VÀ DẪN XUẤT CỦA CÁC LIPIT. Tiền chất của lipit và dẫn xuất của các lipit gồm các acid béo, glycerol và các alcol khác, steroid, sterol, aldehyd của chất béo và các thể ceton, hydrocarbon, vitamin tan trong lipit và hormone. 48 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH Vì khơng tích điện nên các acylglycerol (glycerid) và các este của cholesterol cịn đƣợc gọi là lipit trung tính. 3.2.1. Acid béo Acid béo (AB) là các mono carboxylic cĩ số cacbon chẵn và chúng đƣợc sinh tổng hợp từ những mẫu 2 carbon . Hầu hết AB trong tự nhiên đều là sản phẩm thủy phân của lipit. Trong máu AB đƣợc gắn chủ yếu vào albumin huyết thanh. Chuỗi hydrocarbon của AB cĩ từ 4-36C ,cĩ thể bão hịa hay khơng bão hịa,cĩ cấu tạo vịng hoặc cĩ chứa ancol. 3.2.1.1. Axit béo no - Axit béo no cĩ đặc điểm chung là khơng chứa nối đơi trong cơng thức phân tử. - Cơng thức cấu tạo chung của axit béo no là là CnH2nO2 (bảng 3.1) - Từ C12 trở đi thì tất cả các axit béo no đều là chất rắn và khơng hịa tan trong nƣớc. Bảng 3.1: Các axit béo no thƣờng gặp Ký Tên thơng Tên hệ Cơng thức mp(C) hiệu thƣờng thống phân tử 12:0 Lauric acid Dodecanoic CH3(CH2)10COOH 44.2 acid 14:0 Myristic acid Tetradecanoic CH3(CH2)12COOH 52 acid 16:0 Palmitic acid Hexadecanoic CH3(CH2)14COOH 63.1 acid 18:0 Stearic acid Octadecanoic CH3(CH2)16COOH 69.6 acid 20:0 Arachidic Eicosanoic CH3(CH2)18COOH 75.4 aicd acid 3.2.1.2. Axit béo khơng no - Cĩ chứa một hoặc nhiều nối đơi trong cơng thức phân tử, các nối đơi của axit béo khơng no tự nhiên thƣờng ở dạng cis, khi đun nĩng chuyển thành dạng trans - Độ khơng no hay khơng bão hịa của axit béo đƣợc biểu thị bằng chỉ số Iốt: là lƣợng gam iot kết hợp đƣợc với 100g axit béo. 49 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH - Danh pháp đơn giản của mỗi AB biểu thị độ dài của chuỗi và số liên kết đơi cách nhau bởi dấu ―:‖. Vị trí của liên kết đơi đƣợc biểu thị bằng số mũ của D (delta). Những AB khơng no thƣờng gặp nhất đƣợc nêu trong bảng 3.2. Vị trí của liên kết đơi cách đều nhau, thơng thƣờng ở D9 đối với AB cĩ một liên kết đơi và thêm D12, D15 đối với các AB cĩ nhiều liên kết đơi. Các liên kết đơi này hầu nhƣ khơng bao giờ liên hợp (-CH=CH-CH=CH-) mà cách nhau bởi một nhĩm metylen (-CH=CH-CH2-CH=CH-). Trong tự nhiên, các liên kết đơi của hầu hết các AB khơng bão hịa đều cĩ cấu hình cis. Bảng 3.2: Một số axit béo khơng no thƣờng gặp Ký hiệu Tên Tên hệ Cơng thức cấu tạo mp thƣờng thống (C) D9 16:1 Palmitoleic Hexadecenoic CH3(CH2)5CH=CH- -0.5 acid acid (CH2)7COOH D9 18:1 Oleic acid 9-Octadecenoic CH3(CH2)7CH=CH- 13.4 acid (CH2)7COOH D9,12 18:2 Linoleic 9,12- CH3(CH2)4(CH=CHCH2)2( -9 acid ctadecadienoic CH2)6COOH acid D9,12,15 18:3 Linolenic 9,12,15- CH3CH2(CH=CHCH2)3(C -17 acid Octadeca- H2)6COOH trienoic acid D5,8,11,14 20:4 Arachidonic 5,8,11,14- CH3(CH2)4(CH=CHCH2)4( -49 acid Eicosa- CH2)2COOH tetraenoic acid D5,8,11,14,17 20:5 EPA 5,8,11,14,1 CH3CH2(CH=CHCH2)5(C -54 7-Eico- H2)2COOH sapentaenoic- acid Ví dụ: axit oleic cĩ chỉ số iốt là 90 Cách ký hiệu axit béo khơng no: Số cacbon: Số nối đơi Vị trí cacbon cĩ nối đơi Ví dụ: 16:1D9: axit béo cĩ 16 cacbon, 1 nối đơi ở vị trí cacbon số 9 3.2.1.3. Các axit béo cần thiết và khơng cần thiết: Các axit béo cơ thể khơng thể tổng hợp đƣợc phải cung cấp từ thức ăn hay truyền dịch gọi là axit béo cần thiết (cịn gọi là khơng thay thế), ví dụ: acid linoleic, 50 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH acid linolenic và acid arachidonuc. Các axit béo khơng cần thiết là các axit béo cơ thể cĩ thể tổng hợp đƣợc, ví dụ: acid palmitoleic. 3.2.2. Alcol Ancol trong thành phần lipit đƣợc chia thành 2 nhĩm: 3.2.2.1. Ancol thẳng + Ancol khơng cĩ nitơ : glycerol (glycerin) Hình 3.1: Glycerol + Ancol cĩ nitơ (aminoancol) kết hợp với AB bằng liên kết amid: Hình 3.2: Colamin (ethanolamin) Hình 3.3: Cholin (colamin trimetylamin) Hình 3.4: Serin (acid amin cĩ -OH) 51 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH Hình 3.5: Sphingosin (amino dialcol) 3.2.2.2. Alcol vịng (sterol) - Sterol là các rƣợu chƣa no đơn chức, cĩ mạch vịng là dẫn xuất của xiclopentanoperhydrophenantren hay cịn gọi là steran. - Sterol khơng hịa tan trong nƣớc nhƣng hịa tan trong các dung mơi hữu cơ và trong rƣợu nĩng. - Tính chất hĩa học của sterol đƣợc quyết định bởi nhĩm rƣợu bậc hai và các liên kết đơi trong vịng: + oxy hĩa nhĩm rƣợu bậc hai đến xeton hoặc axit + oxy hĩa các liên kết đơi. Trong cơ thể động vật các sterol bị oxy hĩa cho ra những dẫn xuất nhƣ axit colic; hormone nhƣ oestradiol, testosterol, là những chất ảnh hƣởng rất lớn đến sự phát triển bình thƣờng của cơ thể sống. + hydro hĩa cĩ mặt của chất xúc tác tạo ra rƣợu no, sau đĩ sẽ chuyển thành hydrocacbon ở nhiệt độ cao + sterol tác dụng với alcaloit digitonin tạo thành digitonit khơng hịa tan trong rƣợu. Khi đun sơi với xylen hợp chất này sẽ bị phân giải tạo thành các hợp chất ban đầu là sterol hịa tan trong xylen và digitonin kết tủa. Chính vì vậy ngƣời ta hay dùng phản ứng này để tách sterol khỏi chất béo. + tạo liên kết este với các axit béo bậc cao để hình thành sterit Trong số các sterol, thƣờng gặp và quan trọng nhất là cholesterol cĩ trong mọi tế bào của cơ thể, đặc biệt là tổ chức thần kinh. 52 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH Hình 3.6: Cholesterol (3-hydroxy – 5,6 cholesterin) Đĩ là thành phần chính của màng huyết tƣơng; cĩ dƣới dạng kết hợp với AB tạo cholesteryl este và là chất gốc tổng hợp nên các steroid trong cơ thể. Cholesterol chỉ cĩ trong lipit động vật, khơng cĩ trong thực vật. Cơng thức hĩa học đƣợc biểu hiện trong hình 3.6. Các sterol và steroid quan trọng khác là coprosterol (cĩ trong phân – là sản phẩm khử liên kết đơi của cholesterol bởi vi khuẩn đƣờng ruột) ; acid mật , hormon vỏ thƣợng thận và sinh dục; vitamin D . - Ergosterol là sterol đặc trƣng của các loại nấm Hình 3.7: Ergosterol - Sitosterol và stigmasterol là nhứng sterol đặc trƣng cho thực vật. 53 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH Hình 3.8: Stigmaterol và sitosterol 3.3. LIPIT ĐƠN GIẢN 3.3.1. Triglyxerit – chất béo tự nhiên 3.3.1.1. Cấu tạo Glyxerit là este của axit béo với glixerin, cĩ cơng thức cấu tạo nhƣ hình 3.9: Hình 3.9: Triglycerit Thơng thƣờng các chất béo trong tự nhiên tồn tại ở dạng này. 3.3.1.2. Tính chất chung của glyxerit a) Tính chất vật lý - Khơng hịa tan trong nƣớc mà tách thành từng lớp. Trong các điều kiện nhất định dƣới tác dụng của chất nhũ hĩa, chúng cĩ thể tạo ra nhũ tƣơng. - Nhiều glyxerit ở nhiệt độ thƣờng cĩ tính dẻo - Ở nhiệt độ thƣờng glyxerit tồn tại ở dạng rắn hoặc dạng lỏng. - Nhiệt độ nĩng chảy của glyxerit tƣơng đối thấp, nhiệt độ nĩng chảy của các glyxerit phụ thuộc vào nhiều yếu tố: + Axit béo cĩ trong glyxerit: sự cĩ mặt của các axit béo mạch ngắn và axit béo khơng no trong cơng thức phân tử thƣờng làm giảm điểm nĩng chảy. + Dạng đồng phân cis hoặc trans: các axit béo khơng no trong tự nhiên thƣờng ở dạng cis, khi đun nĩng, cĩ mặt chất xúc tác thì dạng cis chuyển thành dạng trans. - Dầu mỡ tự nhiên thƣờng là hỗn hợp của nhiều triglixerit nên khơng cĩ điểm nĩng chảy rõ ràng mà thƣờng cĩ khoảng nĩng chảy. b) Tính chất hĩa học 54 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH - Phản ứng xà phịng hĩa + Dƣới tác dụng của enzyme lipaza, kiềm liên kết este trong phân tử liên kết bị thủy phân tạo ra muối của axit béo. + Các muối này đƣợc gọi là xà phịng và phản ứng tạo xà phịng đƣợc gọi là phản ứng xà phịng hĩa. Hình 3.10: Phản ứng xà phịng hĩa - Phản ứng chuyển este hĩa + Phản ứng chuyển este hĩa là phản ứng đổi chỗ các axit béo trong cơng thức phân tử của glyxerit + Phản ứng đƣợc thực hiện với chất xúc tác là acolat kiềm ở nhiệt độ từ 110 đến 160 độ. - Phản ứng hydro hĩa + Hydro hĩa là phản ứng gắn hydro vào nối đơi của axit béo khơng no trong các glyxerit. + Phản ứng gắn hydro vào nối đơi của axit béo thƣờng làm giảm điểm nĩng chảy của glyxerit. + Cĩ hai kiểu hydro hĩa: hydro hĩa chọn lọc và hydro hĩa từng phần hoặc tồn bộ. 3.3.2. Sáp 3.3.2.1. Cấu tạo Sáp là este của axit béo bậc cao với rƣợu đơn chức mạch thẳng, phân tử lớn. Trong sáp tự nhiên ngồi axit béo là thành phần chính thì cịn cĩ một ít rƣợu bậc cao và axit bậc cao, các chất màu và các chất thơm. Các axit béo thƣờng gặp trong sáp là: 55 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH Các rƣợu thƣờng gặp trong sáp: 3.3.2.2. Phân loại sáp Căn cứ vào nguồn gốc ngƣời ta chia sáp thành 3 loại a) Sáp thực vật: - Sáp thƣờng cĩ trữ lƣợng khơng lớn lắm trong thực vật - Nằm trên bề mặt của quả, lá, thân, cành - Mục đích của lớp sáp là để bảo vệ cho quả, lá, thân, cành khỏi bị thấm nƣớc, khơng bị khơ và sự xâm nhập của vi sinh vật gây bệnh. - Trong sáp thực vật cĩ chứa các hydrocacbon, rƣợu và axit b) Sáp động vật - Sáp động vật thƣờng đƣợc tiết ra từ tuyến sáp của cơn trùng, tuyến xƣơng cụt của chim và từ tuyến da của động vật cĩ vú. - Một số sáp động vật hay gặp: + Sáp ong: thành phần chủ yếu là este của axit palmitic với rƣợu mirixylic, thứ đến là este của axit béo khơng no với rƣợu mirixylic. + Lanolin: hay đƣợc gọi là sáp len là hỗn hợp các este của rƣợu sterol với các axit béo cao phân tử cĩ nhánh. c) Sáp khống - Sáp khống đƣợc chiết xuất từ than đá linhit hoặc than bùn nhờ dung mơi hữu cơ 56 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH - Thành phần của sáp khống cĩ axit motanic và các este của nĩ 3.3.2.3. Tính chất của sáp - Sáp là chất vơ định hình khơng bị mềm khi đun nĩng - Nĩng chảy ở nhiệt độ 40-90 oC - Khơng dẫn điện, khơng thấm nƣớc, khơng hịa tan trong nƣớc, trong rƣợu lạnh hịa tan trong các dung mơi hữu cơ nhƣ benzen, cloroform, ete. - Bền hĩa học ít tham gia phản ứng. - Sà phịng hĩa trong mơi trƣờng kiềm ở nhiệt độ 150oC-160oC. - Khơng bị thủy phân trong mơi trƣờng axit. 3.3.3. Sterit - Sterit là este rƣợu vịng sterol với các axit béo cao - Sterit là một nhĩm lớn của lipit đơn giản - Trong tự nhiên thì sterol tồn tại dƣới dạng tự do và các hợp chất tƣơng tự sterol hơn là dƣới dạng sterit. 3.4. LIPIT PHỨC TẠP Lipit phức tạp cĩ vị trí quan trọng trong cơ thể khơng phải ở vai trị dự trữ mà chủ yếu ở vai trị chuyển hĩa trung gian. Nĩ cĩ trong tế bào của não, gan. Trong số các nhĩm thuộc lipit màng cĩ hai nhĩm phức tạp, đĩ là: phosohlipit và glycolipit, bao gồm hai phân nhĩm tùy thuộc vào thành phần alcol trong cấu tạo của lipit: glycerophospholipit cĩ alcol là glycerol và sphingolipit cĩ alcol là sphingosin. 3.4.1. Phospholipit 3.4.1.1. Cơng thức cấu tạo Phospholipit là những este của các rƣợu đa chức với các axit béo no và axit phosphoric hoặc dẫn xuất của axit phosphoric (hình 3.11). - Rƣợu của phospho lipit thơng thƣờng là 3 loại rƣợu sau: + Glixerin: cĩ trong glycerophospho lipit 57 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH + Inozit: cĩ trong Inozitphospholipit + Sphingozin: cĩ trong Sphingophospholipit - Axit béo: R1-COOH: Các axit béo cĩ trong phospho lipit, các axit béo thơng thƣờng hay gặp là axit palmitic, axit stearic, axit linolenic, axit arachironic, axit lignoxeric - X: Bazơ nitơ của phospholipit. Phospholipit cĩ cơng thức cấu tạo chung nhƣ sau: Hình 3.11: Sơ đồ cấu tạo chung của phospholipit Từ cơng thức cấu tạo trên ta thấy phân tử phospho lipit cĩ 2 vùng: - Vùng kị nƣớc: gốc hydrocacbon của các axit béo - Vùng ƣa nƣớc: vùng bazơ nitơ cĩ khả năng ion hĩa 3.4.1.2. Tính chất của phospholipit - Cĩ chứa trong các hạt thực vật, trong tim gan của động vật, trong trứng của gia cầm - Phospholipit dễ dàng tạo thành phức hợp với protein ở dạng phospholipoprotein. Chúng cĩ mặt trong tất cả các tế bào của ngƣời, động vật, thực vật và vi sinh vật. - Tham gia chủ yếu trong việc hình thành màng tế bào. - Phospholipit là những chất rắn, vơ sắc, hĩa thành màu tối sẫm khi để trong khơng khí do sự oxy hĩa liên kết đơi của các axit béo. - Khơng hịa tan trong nƣớc nhƣng cĩ thể tạo thành các huyền phù và trong một số trƣờng hợp tạo thành các dung dịch keo. - Tan tốt trong benzen, nitơ dầu hỏa, cloroform 58 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH 3.4.1.3. Phân loại phospholipit Phân loại phospho lipit thành 3 nhĩm sau: a) Glixerophospholipit Glixerophospholipit là những este của glyxerin với axit béo cao và với axit phosphoric cĩ đính bazơ nitơ. Cơng thức cấu tạo chung nhƣ sau: (hình 3.12) Liên kết este với Axit phosphoric ở vị trí cacbon alpha và beta đƣợc gọi lần lƣợt là α-glixero phosphatic và β-glyxero phosphatic. R1, R2 là gốc hydrocacbon của axit béo X: là bazơ nitơ, tùy theo bazơ nitơ mà ngƣời ta phân glixerit phospho lipit thành các colin phosphatic (lexitin), colaminphosphatic (xephalin), serinphosphatic và treoninphosphatic. Hình 3.12: Cơng thức cấu tạo chung của glixerophospholipit - Vì cĩ cấu tạo bất đối nên phospholipit cĩ tính hoạt quang và tạo thành các đồng phân lập thể tƣơng ứng. - Bị thủy phân cắt liên kết este bởi kiềm nhẹ, kiềm mạnh và enzyme phospholipaza. + Kiềm nhẹ: cắt liên kết este của axit béo + Kiềm mạnh: cắt liên kết este của axit béo và gốc bazơ hữu cơ + Phospholipaza: 4 loại phospholipaza Phospholipaza A: tách gốc axit béo ở vị trí beta 59 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH Phospholipaza B: tách đƣợc cả hai gốc axit béo Phospholipaza C: thủy phân liên kết giữa rƣợu và axit phosphoric Phospholipaza D: tách gốc bazơ hữu cơ b) Sphingophospholipit Sphingolipit hoặc sphingomielin là những este đƣợc tạo nên từ axit béo colin, axit phosphoric và amin rƣợu chƣa no gọi là sphingozin. Hình 3.13: Sphingozin và Sphingophospholipit - Gốc axit béo liên kết với gốc amin của rƣợu sphingozin - axit phosphoric liên kết với gốc –OH của rƣợu sphingozin - Sphingolipit khơng hịa tan trong ete etylic. Ngƣời ta thƣờng lợi dụng tính chất này để tách các sphingolipit ra khỏi các phospholipit khác. c) Inozitphospholipit - Cơng thức cấu tạo tƣơng tự nhƣ glixerophospho lipit nhƣng trong đĩ bazơ nitơ đƣợc thay thế bằng gốc inozit - Khi cĩ 2 gốc axit phosphoric trong phân tử inozitphospholipit thì 2 nhĩm phosphas sẽ liên kết với gốc inozit tại vị trí meta. - Tìm thấy inozitphospholipit trong đậu tƣơng và trong các mơ não 3.4.2. Glycolipit Glycolipit là những lipit phức tạp khơng cĩ phospho, trong thành phần cấu tạo của chúng cĩ cấu tử gluxit, thƣờng là galactoza hoặc là dẫn xuất galactoza. 60 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH Glycolipit đƣợc phân bố rộng rãi trong mọi tổ chức cơ thể đặc biệt là tổ chức thần kinh nhƣ não. Chúng tập trung nhiều ở mặt ngồi của màng plasma tham gia vào quá trình carbohydrat bề mặt tế bào. Glycophingolipit thuộc nhĩm sphingolipit là những glycolipit chính đƣợc tìm thấy ở các tổ chức dộng vật nĩi chung . Các chất này đƣợc gọi là glycolipit trung tính chứa ceramid và một hay nhiều phân tử đƣờng (D-glucose, D-galactose, N- acetyl-D-galactose, galactosamin). Galatosyl ceramid và glucosyl ceramid là hai chất đơn giản nhất đƣợc gọi chung là cerebrosid. Galactosyl cerebrosyd là một trong những glycosphingolipit quan trọng của não và tổ chức thần kinh khác. Nĩ chứa một lƣợng AB C24 đặc trƣng và cĩ thể biến đổi thành sulfogalactosyl ceramid ( sulfatid) cĩ nhiều trong tủy xƣơng. Glucosyl cerebosid cĩ chủ yếu trong màng plasma của tế bào ở các tổ chức ngồi thần kinh. Gangliosid là những glycosphingolipit phức tạp hơn cĩ nguồn gốc từ glycosyl ceramid. Chúng chứa nhiều đầu phân cực tạo bởi các phân tử đƣờng cĩ các gốc tận là acid sialic (Neu- Nac). Ganglosid tham gia cấu tạo 6% lipit màng trong chất xám của não ngƣời và cĩ ít hơn ở các tổ chức ngồi thần kinh. Màng tế bào thần kinh của ngƣời chứa ít nhất 15 gangliosid khác nhau. Gangliosid GM1 là nơi ngăn độc tố cholera khi độc tố này tấn cơng vào một tế bào. Quá trình tổng hợp và thối hĩa của các chất nĩi trên đƣợc điều hĩa một cách chặt chẽ. Những rối loạn về chuyển hĩa của cerebrosid và gangliosid cĩ ảnh hƣởng đến một số bệnh di truyền ở ngƣời ( các bệnh Taysachs và Niemann-Pick). Ngƣời ta chia glicolipit thành hai nhĩm là xerebrozit và gangliozit 3.4.2.1. Xerebrozit - Xerebrozit đƣợc tạo nên từ amin-rƣợu hai nguyên tử chƣa no sphingozin, axit béo và galactoza (hình 3.14). - Axit béo trong xerebrozit đều cĩ 24 nguyên tử cacbon và cĩ thể liên kết đơi với nhĩm hydroxyl. 61 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH Hình 3.14: Cấu tạo Xerebozit Hình 3.15: Các glycosphingolipit xác định các nhĩm máu O, A, B ở ngƣời. (Glc: glucose, Gal: galactose, Fuc: Fucose, N-Ac: N-Acetyl) 62 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH - R2: gốc axit béo (axit stearic, axit lignoxeric, axit nervonic, axit xerebonic, ) - R1: -OH hoặc –SO3H (xerebozit cĩ chứa lƣu huỳnh cịn đƣợc gọi là sulfatit) 3.4.2.1. Gangliozit Glangliozit là những glicolipit cao phân tử gồm cĩ axit béo (thƣờng là axit stearic), sphingozin, glactoza và noraminic. Ngày nay, ngƣời ta cịn phát hiện thấy các sphingolipit tham gia vào nhiều quá trình nhận diện ở bề mặt tế bào. Ví dụ: Các nhĩm máu ở ngƣời ( nhĩm O, A, B) cĩ thể đƣợc xác định bởi các gốc đƣờng khác nhau nắm ở đầu của các phân tử glycosphingolipit. Các gốc này gắn vào protein máu ở những ngƣời cĩ nhĩm máu O,A và B tƣơng ứng (hình 3.15). 3.5. LIPIT LƢỠNG CỰC ( AMPHIPATHIC LIPIT). Các lipit này bao gồm màng lipit micelle, lyposome và nhũ dịch (emulsion). - Lipit nĩi chung thƣờng khơng tan trong nƣớc vì chứa chủ yếu các nhĩm khơng phân cực (hydrocacbon). Tuy nhiên các AB, phospholipit, sphingolipit, muối mật, và thậm chí là cholesterol lại chứa những nhĩm phân cực. Nếu cĩ phần tử vừa chứa một phần cĩ tính kỵ nƣớc (hydrophobe) thì đƣợc gọi là lipit lƣỡng cực (hình 3.16 A). - Chúng đƣợc định hƣớng trong mơi trƣờng ―dầu – nƣớc‖: nhĩm phân cực quay vào pha nƣớc và nhĩm khơng phân cực quay vào pha dầu. Một lớp kép (double couchelipitique) của lipit phân cực cĩ cấu trúc nhƣ vậy đƣợc gọi là cấu trúc cơ bản của màng sinh học (hình 3.16 B). -Khi một nồng độ lớn lipit phân cực nằm trong mơi trƣờng nƣớc thì chúng sẽ tạo thành các micelle . Sự tiếp nhận muối mật vào micelle cũng nhƣ sự tạo thành micelle kết hợp với sản phẩm tiêu hĩa của lipit là cần thiết vì giúp cho quá trình hấp thụ lipit ở ruột đƣợc dễ dàng. - Liposom đƣợc tạo ra bằng cách gây ―sĩng âm‖ (sonicating) một lipit lƣỡng cực trong mơi trƣờng nƣớc.Chúng bao gồm các lớp kép lipit bao bọc xung quanh 63 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH một phần mơi trƣờng nƣớc (hình 3.16 E). Liposom đƣợc sử dụng rất nhiều trong lâm sàng, đặc biệt là khi kết hợp với những kháng thể đặc hiệu của tổ chức đĩng vai trị vận chuyển thuốc vào máu để đi đến các cơ quan đặc hiệu. Hình 3.16: Sự tạo thanh màng lipit, micelle, nhũ dịch dầu trong nƣớc và liposom từ lipit lƣỡng cực - Emulsion là những tiểu phân tử lớn hơn nhiều, thƣờng đƣợc tạo bởi các lipit khơng phân cực trong mơi trƣờng nƣớc (hình 3.16 D). Những phân tử nhũ tƣơng này dƣợcđƣợc ổn định bởi các tác nhân nhủ tƣơng hĩa( leccithin) cĩ tác dụng tạo 64 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH ra một lớp bề mặt ngăn cách giữa phần khơng phân cực với pha nƣớc. Hiện tƣợng này cũng cĩ ý nghĩa lớn trong chuyển hĩa. 3.6. ỨNG DỤNG CỦA LIPIT TRONG ĐỜI SỐNG VÀ SẢN XUẤT - Dầu mỡ đƣợc sử dụng nhiều trong cơng nghiệp thực phẩm: vừa là nguyên liêụ vừa là chất phụ gia (bánh, kẹo, sốt mazone) - Dầu là nguyên liệu của nhiều ngành cơng nghiệp quan trọng trong đĩ axit béo là là nguyên liệu của của ngành cơng nghiệp xà phịng, chất tẩy rửa tổng hợp, chất nhũ hố, chất dẻo, chất tạo màng (sơn ,vecni), chất bơi trơn động cơ ( dầu nhớt). - Glycerin là nguyên liệu cơ bản của cơng nghiệp mĩ phẩm nhƣ sản xuất kem dƣỡng da, các loại son - Trong cơng nghiệp thực phẩm, dầu đƣợc dùng làm ta dƣợc cho các chế phẩm mà hoạt chất chính chỉ tìm thấy trong dầu nhƣ các loại vitamin A, D, E, K các kích tố sinh dục, các loại thuốc mỡ, dầu xoa - Sáp cũng đƣợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực cơng nghệ khác nhau nhƣ dƣợc phẩm, mĩ phẩm (thuốc chống nẻ ) - Sáp cacnaubơ tách từ cây cọ ở Nam Mỹ dùng sản xuất nến. Specmaceli là sáp động vật, đƣợc dùng trong cơng nghiệp sản xuất nƣớc hoa, sản xuất kem bơi da, cao dán vết thƣơng Tĩm lại: lipit khơng chỉ quan trọng với quá trình trao đổi chất của mọi cơ thể sinh vật mà nĩ cịn là mặt hàng thu nhập đáng kể của mọi quốc gia. Vì thế xu thế chuyển dịch cơ cấu các loại cây. 3.7. CÁC CHỈ SỐ CỦA CHẤT BÉO Để xác định tính chất của chất béo thƣờng dựa vào các chỉ số khác nhau của chất béo 3.7.1. Chỉ số iod Chỉ số iod là số lƣợng (gramm) iod liên kết với 100g chất béo chƣa no. 65 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH Chỉ số iod cho ta khái niệm về hàm lƣợng của các axit béo chƣa no trong một chất béo nào đĩ. Chỉ số iod càng cao thì độ lỏng của chất béo càng lớn (càng tốt cho việc điều chế sản phẩm nhƣ sơn, vecni, ). Liên kết đơi của axit béo ở vị trí a, β so với nhĩm carboxyl thì bị iod hĩa kém nhất. Liên kết đơi càng xa nhĩm -COOH thì quá trình iod hĩa càng xảy ra dễ dàng. 3.7.2. Chỉ số axit Chỉ số axit là số lƣợng (milligramm) KOH cần thiết để trung hịa các axit béo tự do cĩ trong 1g chất béo. Chỉ số axit là chỉ tiêu quan trọng về tính chất và trạng thái của chất béo, vì nĩ cĩ thể dễ dàng tăng lên khi bảo quản chất béo hoặc các sản phẩm giàu chất béo. 3.7.3. Chỉ số xà phịng Chỉ số xà phịng là số lƣợng (milligramm) KOH cần thiết để trung hịa các axit béo tự do cũng nhƣ axit béo kết hợp khi xà phịng hĩa 1g chất béo. Nếu chỉ số xà phịng cao thì khối lƣợng phân tử acid béo thấp (mạch C ngắn) 3.7.4. Chỉ số ester Chỉ số ester là số mg KOH cần để trung hồ hết các axit béo kết hợp với glyxerol khi xà phịng hố 1 gam chất béo và chính bằng hiệu số giữa chỉ số xà phịng và chỉ số axit. 3.7.5. Chỉ số peroxyt: Chỉ số peroxyt là số gramm iod đƣợc giải phĩng ra bởi peroxyt cĩ trong 100 gam chất béo. Chỉ số peroxyt đƣợc xác định dựa vào phản ứng sau: Hình 3.17: Phản ứng tạo thanh peroxyt 66 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH Chỉ số pyroxyt phản ánh độ ơi của chất béo. Dầu mỡ để lâu ngày cĩ mùi khét khĩ chịu là sự ơ mỡ. Hiện tƣợng này xảy ra do oxy khơng khí kết hợp với các nối đơi của acid béo khơng no tạo thành pyroxyt. Khi cho KI phản ứng với chất béo ơi, nĩ sẽ phản ứng với pyroxyt và giải phĩng iot tự do. Dùng tiosunfat để chuẩn độ lƣợng iot đƣợc giải phĩng. Quá trình ơi mỡ tăng nhanh trong điều kiện ẩm độ, nhiệt độ cao và cĩ ánh sáng CÂU HỎI ƠN TẬP 1. Hãy nêu khái niệm và vai trị sinh học của lipit? 2. Hãy phân loại lipit dựa trên đặc điểm cấu tạo? 3. Cho biết cấu tạo của chất béo tự nhiên (glyxerit)? Tính chất hĩa học của chất béo tự nhiên? 4. Phân biệt acid béo no và acid béo khơng no? 5. Sáp là gì? Điểm khác nhau giữa sáp và chất béo? 6. Sterit là gì? Điểm khác biệt giữa sterit và sáp? Vai trị của colesterol? 7. Cấu trúc và vai trị của glixerophotpholipit (phosphatit)? 8. Kể tên các phosphatit thường gặp. 9. Cấu trúc và vai trị của Sphingoglicolipit (glycolipit)? 10. Các chỉ số của chất béo (triaxylglyxerit) 67 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG
GIÁO TRÌNH HĨA SINH CHƢƠNG IV – PROTEIN Protein là một hợp chất đại phân tử (polymer) đƣợc tạo thành từ rất nhiều các đơn phân (monomer) là các axit amin. Protein là những chất cĩ phân tử lớn đĩng vai trị chủ yếu trong sự hình thành, duy trì cấu trúc và chức năng của cơ thể sống. Ví dụ: protein, enzyme, hormon xúc tác và điều hịa chuyển hĩa các chất; collagen, keratin, glycoprotein, elastin tham gia cấu tạo cơ thể; actin, myosin là những protein co cơ; albumin, globulin, lipoprotein, hemoglobin là những protein vận chuyển các chất trong máu hay qua màng tế bào; ferritin là protein dự trữ; inmunoglobulin( Ig) là protein miễn dịch; rhodopsin là protein cảm nhận ánh sáng cĩ trong tế bào hình gậy của võng mạc Mỗi tế bào cĩ thể cĩ tới hàng nghìn protein cấu tạo từ 20 acid amin khác nhau đƣợc gọi là đơn vị cấu tạo protein. 4.1. AXIT AMIN 4.1.1. Cấu tạo hĩa học và tên gọi của axit amin Nhiều nhà nghiên cứu hĩa sinh định nghĩa, axit amin thực chất là một axit hữu cơ, trong đĩ một nguyên tử hiđro của gốc cacbonalpha đƣợc thay thế bởi nhĩm - NH2 (C - α). Hoặc, axit amin là những dẫn xuất của axit hữu cơ, trong đĩ cĩ một nguyên tử hydro (đơi khi 2 nguyên tử H) của gốc alkil đƣợc thay thế bởi nhĩm (- NH2) (hình 4.1). Axit amin đƣợc cấu tạo bởi ba hợp phần: một là nhĩm amin (-NH2), hai là nhĩm cacboxyl (-COOH) và cuối cùng là nguyên tử cacbon trung tâm đính với 1 nguyên tử hyđro và nhĩm biến đổi R quyết định tính chất của axit amin. Các axit amin trong thành phần protein đều cĩ cơng thức cấu tạo chung nhƣ sau: Hình 4.1: Cấu tạo của α - axit amin 68 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐƠNG