Category Archives: Lộ trình tín hiệu

Trò chuyện Dược lý học (Phần 1) – Playlist

Trò chuyện Dược lý học (Phần 1) – Playlist

 Trò chuyện dược lý học (gồm 2 phần) là loạt bài giảng của thầy Phùng Trung Hùng về một số khái niệm mở đầu cho môn học đầy cam go này. Từ khi ra đời cho tới nay, trò chuyện dược lý học đã thu hút hơn 10.000 lượt theo dõi.

Nay tôi xin được chia sẻ lại phần 1 của loạt bài giảng này, mong rằng sẽ có ích cho các bạn!

Phùng Trung Hùng – Nguyễn Phước Long – Nguyễn Thiện Luân

TỔNG QUAN MỘT VÀI PHẢN ỨNG OXI HÓA – KHỬ TRONG HỆ THỐNG SỐNG

Phùng Trung Hùng – Nguyễn Phước Long

 http://classes.midlandstech.com/carterp/Courses/bio225/chap05/05-13_KrebsCycle_1.jpg

Hình 4.1: Chu trình Krebs. Ở đây lưu ý sự hình thành NADH ở bước 1, 3, 4 và 8 (hình phải).

Một lượng lớn NADH được tạo ra từ chu trình Krebs trong ti thể như đã trình bày ở hình trên sẽ trở thành năng lượng cho quá trình sinh ATP (do ATP synthase xúc tác) và các phản ứng phosphoryl hóa oxy hóa. Vậy, cơ chế phản ứng cụ thể của quá trình quan trọng trên là gì, nó diễn ra như thế nào và các yếu tố chi phối chính tác động ra sao? Để trả lời các câu hỏi trên, ta hãy cùng tìm hiểu rõ hơn về bản chất của phản ứng oxi hóa – khử, một phản ứng vô cùng quan trọng của sinh giới.

Nguyên lý cơ bản của phản ứng oxi hóa – khử

Phản ứng oxi hóa – khử là sự chuyển electrón từ một thành phần hóa học này sang một thành phần hóa học khác. Thành phần oxi hóa và thành phần khử luôn đi chung với nhau một cách bắt buộc và chúng tạo thành 2 bán phản ứng mà khi gộp lại, chúng ta được một phản ứng hoàn chỉnh.Các tính chất cơ bản sẽ được trình bày ở đây với mục đích nền tảng để tiếp cận sâu hơn về mặt sinh học, để có thể hiểu chi tiết hơn, các bạn có thể tham khảo các quyển chuyên khảo hóa học.

http://library.thinkquest.org/10429/media/redox/equa1.gif http://academic.pgcc.edu/~kroberts/Lecture/Chapter%205/05-02_RedoxReactions_L.jpg

Hình 4.2: Trong phản ứng ở hình tển trên, Fe cho 2 electron để tạo thành Fe2+, nó là chất khử và quá trình cho electron gọi là sự oxi hóa. Cu2+ nhận 2 electron để tạo thành Cu, nó là chất oxi hóa và quá trình nhận electron gọi là sự khử. Hình dưới mô tả tính tổng quát của phản ứng.

Một vài tính chất cần lưu ý:

–          Có chất cho electron thì phải có chất nhận electron.

–          Một phản ứng oxi hóa – khử phải cân bằng cả về hiệu số phân tử và cả số electron cho nhận. Hay nói cách khác, cho bao nhiêu thì nhận bấy nhiêu, không thừa – không thiếu.

–          Phản ứng oxi hóa – khử luôn tuân thủ các nguyên lý nhiệt động học.

Một phản ứng ví dụ hay gặp trong các quá trình sinh học là phản ứng sau của NAD+/NADH, trong đó NAD+ ở dạng oxi hóa (có khả năng nhận electron) còn NADH ở dạng khử (có khả năng cho electron):

Thế nhiệt động học của phản ứng này được tính dựa vào hằng số cân bằng và sự tương quan giữa nồng độ của các phần tử phản ứng và sản phẩm tạo thành. Lưu ý rằng chúng ta không thể tính trực tiếp nồng độ của electron một cách trực tiếp, do vậy trong thực hành chúng ta tính toán các con số dựa vào thế điện cực của mỗi bán phản ứng ở điều kiện cơ thể sống (E) so với điều kiện chuẩn (Eo).Nếu pH = 7 (pH trung tính, chuẩn), chúng ta sẽ có đại lượng thế điện cực sinh học chuẩn, kí hiệu là Eo’. Phương trình liên quan giữa Eo’ và năng lượng tự do Gibbs được minh họa theo phương trình sau:

Đọc toàn bộ bài viết tại đây.

ĐẠI CƯƠNG AMINO ACID

Phùng Trung Hùng – Nguyễn Phước Long

Thuộc tính hóa học tự nhiên của amino acid

Tất cả peptide và polypeptide đều được tạo nên từ quá trình trùng hợp α-amino acid. Trong đó, có 20 α-amino acid tham gia tổng hợp nên các protein của con người. Một vài amino acid khác cũng tồn tại trong cơ thể ở dạng tự do hay hợp chất nhưng không tạo thành peptide hay protein. Các amino acid không tạo protein này có những chức năng rất đặc biệt, và dĩ nhiên là các amino acid thiết yếu cũng có khả năng này. Ví dụ, tyrosine có trong thành phần hormone tuyến giáp, glutamate là một chất dẫn truyền thần kinh,…

Hình 6.1: Công thức phân tử của Alanine, Glutamine, Phenylalanine

Các α-amino acid trong peptide hay protein (ngoại trừ proline) có một nhóm –COOH và một nhóm –NH2, hai nhóm chức này cùng đính vào một nguyên tử carbon bất đối xứng có cấu trúc tứ diện, hay còn gọi là Cα. Ngoài ra, mỗi amino acid đều có một gốc R riêng biệt, chúng cũng đính vào Cα(ngoại lệ đối với glycine, gốc R của nó là một nguyên tử Hydro).

Hình 6.2: Cấu trúc hai hình thể tồn tại của glycine ở trạng thái khí. Lưu ý khả năng quay của nguyên tử nguyên tố carbone.

Những năm gần đây, Joseph Krzycki và đồng nghiệp của mình ở đại học Ohio đã khám phá ra một dẫn xuất của lysine là pyrrolysine trong một số loài sinh vật cổ, (archaeal species) như Methanosarcina barkeri chẳng hạn. Pyrrolysine và selenocysteine đều được tìm thấy trong cấu trúc tự nhiên của protein nhờ vào hoạt động của các phân tử RNA đáp ứng đặc biệt. Chính sự hiện diện 2 amino acid này trong một số protein khiến cho các nhà khoa học thắc mắc, liệu học thuyết về protein của chúng ta đã hoàn chỉnh chưa, và có bao nhiêu loại amino acid khác nữa có thể hiện diện trong protein mà chúng ta chưa phát hiện được?

Phân loại các amino acid

Người ta dựa vào gốc R để phân loại các amino acid. Nếu phân chia dựa vào tính chất của gốc R thì ta có hai nhóm amino acid, là nhóm ưa nước và nhóm kị nước.

Nhóm amino acid kị nước không hoặc khó tan trong nước, do vậy phần lớn các amino acid này sẽ nằm ở phần nội (interior) của protein. Nhóm amino acid này không ion hóa cũng như hình thành liên kết hydro.  Nhóm amino acid ưa nước có liên kết chặt chẽ với môi trường nước và thường tạo liên kết hydro với môi trường và giữa các amino acid với nhau. Do tính chất đặc biệt như vậy, các amino acid ưa nước tồn tại mở mặt ngoại của amino acid hay trong trung tâm phản ứng của các enzyme.

Hình 6.3: Cách đánh chữ cái Hy Lạp đối với các amino acid.

Liên kết peptide

Liên kết peptide được hình thành từ phản ứng polymer hóa amino acid để tạo thành peptide và protein có dạng R-CO-NH-R’. Một số hormone hay neurotransmitter, kháng sinh và tác nhân chống u (antitumor agents) có bản chất là peptide – một chuỗi ngắn gồm một số amino acid.

Xem toàn bộ bài viết tại đây.

GIẢN YẾU VỀ VAI TRÒ SINH LÝ HỌC CỦA ENZYMES

Enzyme và phản ứng xúc tác

Enzyme có vai trò xúc tác, làm tăng tốc nhiều phản ứng sinh học:

–          Nếu không có enzyme, hầu hết các phản ứng trong cơ thể sống đều sẽ diễn ra rất chậm và do vậy sự sống sẽ không thể tiếp tục.

–          Enzyme có thể làm cho phản ứng xảy ra theo nhiều giai đoạn, trong đó có phản ứng thủy phân ATP tạo năng lượng. Nhờ tính chất này, nó giúp cho các phản ứng đòi hỏi năng lượng cao vẫn có thể xảy ra được.

Hình 10.1: Phản ứng minh họa

–          Điều cần lưu ý là enzyme không mất đi trong một phản ứng sinh hóa, do vậy một enzyme có thể xúc tác phản ứng nhiều lần.

Enzyme gắn kết với các chất phản ứng đặc hiệu để xúc tác phản ứng sinh học chuyên biệt:

–          Trong quá trình phản ứng xảy ra, các cơ chất hoạt động trên “môi trường” enzyme để tạo ra sản phẩm.

–          Mỗi cơ chất gắn vào một vị trí gắn (binding site) đặc hiệu trên enzyme. Vùng hoạt động (active site) có thể ở gần hoặc trùng với vị trí gắn và có chứa các chuỗi amino acid tham gia trực tiếp trong khi phản ứng xảy ra.

–          Enzyme có tính chọn lọc (selectivity) và đặc hiệu (specificity) do có cấu trúc tương tác phù hợp với cấu trúc của cơ chất của phản ứng mà nó xúc tác tại vùng hoạt động.

Thiếu enzyme sẽ gây ra rối loạn bệnh lý:

–          Chu kì urea hay chuyển hóa glycogen là các rối loạn bẩm sinh của sự trao đổi chất. Nếu không được phát hiện sớm sau khi sinh, các rối loạn này có thể gây ra các xáo trộn chuyển hóa ở trẻ sơ sinh và thậm chí gây tử vong.

–          Thiếu hụt enzyme sẽ tạo ra sự thiếu hụt các sản phẩm chuyển hóa mà nó xúc tác do vậy có thể ức chế chuỗi phản ứng theo sau đó.

Bảng 10.1: Một số bệnh liên quan đến sự thiếu hụt enzyme.

–          Hiện tượng tích tụ cơ chất hoặc các sản phẩm chuyển hóa phụ do thiếu hụt enzyme có thể gây ra các rối loạn sinh lý trầm trọng.

–          Tất cả các rối loạn chuyển hóa bẩm sinh chỉ xảy ra rõ ràng sau khi sinh bởi vì có sự trao đổi các chất chuyển hóa giữa mẹ và bào thai trong suốt quá trình mang thai.

–          Các phương pháp chữa bệnh có liên quan đến: Chế độ ăn uống, liệu pháp gene hoặc thay tế trực tiếp enzyme thiếu hụt.

Sự phân loại enzyme

Enzyme có thể được tạo ra từ protein hoặc RNA.Hầu hết các enzyme là proteins và được phân thành 6 loại dựa vào phản ứng mà nó xúc tác. RNA có một số chức năng xúc tác các phản ứng sinh lý quan trọng thể hiện qua các enzyme có nguồn gốc RNA hay còn gọi là các ribozymes, thường có 2 loại chính:

–          Phân tử RNA trải qua sự tự phân cắt (self-splicing). Qua đó, intron bị cắt bỏ và các exon sẽ nối kết với nhau.

–          Các phân tử RNA khác không tự phân cắt có thể hoạt động trên các cơ chất khác sẽ có hoạt động xúc tác thật sự:

  • Ribonuclease P giúp tiền chất của tRNA trở thành tRNA trưởng thành.

  • 23S ribosomal RNA có vai trò quan trọng trong hoạt tính của enzyme peptidyl transferase.

Xem toàn bộ bài viết tại đây.

Phức hợp phản ứng Enzyme – Cơ chất hình thành như thế nào?

Đại cương

Enzyme thực hiện vai trò xúc tác bằng cách làm cho năng lượng hoạt hóa của phản ứng sinh hóa xảy ra trong cơ thể thấp hơn so với bình thường. Cơ chế của quá trình này thường rất phức tạp, bao gồm nhiều tương tác hai chiều và các điều kiện nghiêm ngặt. Các tác giả tiên phong cũng đã nhận ra được tầm quan trọng của yếu tố lập thể giữa enzyme và cơ chất của nó, từ đó hình thành nên học thuyết “chìa khóa & ổ khóa” – mô hình được chấp nhận rộng rãi từ khi được giới thiệu lần đầu tiên bởi E. FISCHER. Tuy vậy, cần phải luôn nhớ rằng enzyme và cơ chất luôn luôn vận động, do vậy ta cũng phải dùng quan điểm động để hiểu đúng mô hình học thuyết trên.

Tính chất linh động (flexibility) và dễ biến đổi (mobility) của vùng hoạt động trên enzyme chính là mục tiêu nghiên cứu hàng đầu để có thể hiểu được đầy đủ tiến trình xúc tác. Ái lực của enzyme quyết định số gia các trạng thái chuyển đổi của cơ chất so với bản thân cơ chất và do vậy nó là một yếu tố nhiệt động lực học quan trọng.

Chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu từng thành phần một trong cơ chế xúc tác của enzyme. Từ quá trình hình thành phức hợp enzyme – cơ chất đến cơ chế phản ứng xảy ra và sản phẩm tạo thành.

Các lực tự nhiên hình thành nên phức hợp Enzyme – cơ chất

Các lực tạo nên sự liên kết giữa enzyme và cơ chất của nó cùng bản chất với các lực hiện diện trong bất kì một phân tử cơ bản nào trong tự nhiên. Tuy nhiên, sự phức tạp của cấu trúc enzyme với nhiều nhóm hóa học khác nhau dẫn đến sự hiện diện của nhiều loại lực cùng thực hiện tương tác. Hơn nữa, do enzyme hoạt động trong môi trường sinh vật, nghĩa là luôn có dung môi (như dung dịch nước chẳng hạn) do vậy, kết lại ta có các loại lực cơ bản sau:

–          Lực tĩnh điện được tạo ra giữa nguyên tố hay nhóm nguyên tố có sự hiện diện thường trực (permanent) của điện thế. Nó bao gồm tương tác giữa 2 ion, giữa ion và một lưỡng cực hay thậm chí giữa 2 lưỡng cực với nhau.

  • Tương tác giữa 2 ion (tương tác Coulomb).
  • Lực tĩnh điện của một ion được xác định theo phương trình sau:

rong đó q là điện tích, r là khoảng cách từ điện tích đến điểm tính lực, Z là hóa trị của ion và e là điện tích của electron. Trong nước hằng số điện môi (D) vào khoảng 74.1 ở 37.5oC.

Xem toàn bộ bài viết tại đây.

Google

Đại cương về nucleic acid – Nucleotide

Đại cương

Các Nu có thể được xem như một trong những sản phẩm chuyển hóa quan trọng của tế bào. Nu được tìm thấy chủ yếu như các đơn vị đơn thể bao gồm các acid nucleic chủ chốt của tế bào, RNA và DNA. Tuy nhiên, chúng được đòi hỏi cho nhiều hoạt động chức năng khác của tế bào. Ví dụ:

1.Dự trữ năng lượng để sử dụng cho phản ứng vận chuyển phosphate trong tương lai. Các phản ứng này được thực hiện chủ yếu bởi ATP.

2.Hình thành bộ phận của vài coenzym quan trọng như NAD+, NADP+, FAD và coenzym A.

3.Là yếu tố dàn xếp của nhiều quá trình nội bào quan trọng như chất truyền tin thứ 2 trong các hiện tượng chuyển nạp.Chất truyền tin thứ hai chiếm ưu thế là AMP vòng (cAMP), một dẫn xuất dạng vòng của AMP hình thành từ ATP.

4.Điều khiển nhiều phản ứng thuộc enzym qua những tác động dị lập thể trên hoạt động enzym.

5.Là trung gian hoạt hóa trong nhiều phản ứng sinh tổng hợp bao gồm  S-adenosylmethionine (S-AdoMet or SAM) liên quan đến phản ứng vận chuyển methyl cũng  như các Nu được ghép cặp với đường liên quan đến tổng hợpprotein và glycoprotein.

Cấu trúc và danh pháp Nucleoside and Nucleotide

Các Nu được tìm thấy trong tế bào là các dẫn xuất dị vòng của các hợp chất cơ bản bậc cao , purine và pyrimidine.

Bản chất kiềm hóa học của các nucleotide đã cho chúng một thuật ngữ phổ biến “base” khi chúng kết hợp với các nucleotide hiện diện trong DNA và RNA. Có năm base chủ yếu được tìm thấy trong các tế bào. Các dẫn xuất của purine được gọi là adenine và guanine, và các dẫn xuất của pyrimidine được gọi là thymine, cytosine và uracil. Các chữ viết tắt thường được sử dụng cho các base là, A, G, T, C và U.

Các base purine và pyrimidine trong các tế bào được liên kết với carbohydrate và theo hình thức này được gọi là nucleoside. Các nucleoside gắn với D-ribose hoặc 2′-deoxy-D-ribose thông qua một liên kết β-N-glycosidic giữa cacbon anomeric của ribose và N9 của purine hoặc N1 của pyrimidine.

 

Các base có thể tồn tại trong 2 định hướng riêng biệt về cầu N-glycosidic. Những cấu tạo được xác định là syn hay anti. Các cấu trúc anti chiếm ưu thế hơn trong tự nhiên.

Nucleoside được tìm thấy trong các tế bào chủ yếu ở dạng phosphoryl hóa của chúng. Chúng được gọi là nucleotide. Các vị trí phổ biến nhất của sự phosphoryl hóa các nucleotide được tìm thấy trong các tế bào là các nhóm hydroxyl thuộc carbon 5’của ribose. Các nguyên tử carbon của ribose hiện diện ở nucleotide được thiết kế với một  dấu (‘)  để phân biệt với số khung cacbon trong các base. Nucleotides có thể tồn tại ở dạng mono-, di-, tri-phosphoryl hóa .

 

Nucleotides có những chữ viết tắt khác nhau cho phép xác định dễ dàng cấu trúc và tình trạng  phosphoryl hóa. Dạng  monophosphoryl hóa của adenosine (adenosine-5′-monophosphate) được viết là AMP. Di-và tri-phosphoryl hóa tương ứng được viết là ADP và ATP, tương ứng. Việc sử dụng các chữ viết tắt chỉ ra rằng nucleotide đang trong các dạng nào của phosphoryl hóa đầu 5’. Di và tri-phosphate của nucleotide được liên kết bởi các cầu anhydric acid. Cầu nối Acid anhydrit có một ΔG0 cao cho sự thủy phân nhằm tạo điện thế cao để vận chuyển các phosphatetới các phân tử khác. Đó là thuộc tính của các nucleotide màdẫn đến sự tham gia của chúng trong các phản ứng chuyển nhóm trong tế bào.

Các nucleotide được tìm thấy trong DNA là duy nhất từ những RNA trong đó ribose tồn tại trong các hình thức 2′-deoxy và các chữ viết tắt của nucleotide có chứa một “d” . Dạng  monophosphoryl hóa của adenosine tìm thấy trong DNA (deoxyadenosine-5’-monophosphate) được viết là damp.

Uridine nucleotide không bao giờ được tìm thấy trong DNA và thymine thì hầu như chỉ tìm thấy trong DNA. Thymine được tìm thấy trong RNA vận chuyển  nhưng không có trong rRNAs và mRNA. Có một số base ít phổ biến được tìm thấy trong DNA và RNA. Base sửa đổi chính trong DNA là 5-methylcytosine. Một loạt các base sửa đổi xuất hiện trong RNA vận chuyển . Nhiều uncleotide sửa đổi được bắt gặp ở bên ngoài nội dung của DNA và RNA phục vụ các chức năng sinh học quan trọng.

 

Dẫn xuất adenosine

 

Dẫn xuất adenosine phổ biến nhất là hình thức  dạng vòng, 3′-5′-cyclic adenosine monophosphate, cAMP. Hợp chất này là một chất truyền tin thứ hai liên quan đến các hiện tượng chuyển nạp  từ bề mặt tế bào đến các protein bên trong, ví dụ protein kinase phụ thuộc cAMP-, pKa (xem hình dưới đây). PKA phosphoryl một số protein, do đó, ảnh hưởng đến hoạt động của chúng có thể tích cực hoặc tiêu cực. Cyclic-AMP cũng tham gia vào quy định các kênh ion bằng cách tương tác trực tiếp với các protein kênh, ví dụ như kích hoạt các thụ thể mùi bởi các phân tử thơm.

 

Sự hình thành cAMP xảy ra trong phản ứng để kích hoạt các thụ thể bắt cặp với adenylate cyclase. Các thụ thể này có thể có nhiều loại, ví dụ: thụ thể hormon hoặc các thụ thể mùi.

Hình 12.1: Minh họa lộ trình cAMP/PKA

Hình 12.2: Cơ chế tác dụng và vai trò của PKA.

Lộ trình đại diện cho sự kích hoạt của cAMP phụ thuộc protein kinase, PKA. Trong ví dụ này, glucagon liên kết với các thụ thể của nó trên bề mặt tế bào, do đó kích hoạt các thụ thể. Sự kích hoạt các thụ thể thì bắt cặp với sự kích hoạt của một thụ thể proteinG bắt cặp (nối GTPvà protein thủy phân ) bao gồm 3 tiểu đơn vị. Sau khi kích hoạt tiểu đơn vị α  phân ly và liên kết và kích hoạt adenylate cyclase. Adenylate cylcase sau đó chuyển đổi ATP thành AMP vòng (cAMP). cAMP do đó sản xuất sau đó liên kết với các tiểu đơn vị quản lý PKA dẫn đến phân ly của các tiểu đơn vị xúc tác liên quan. Các tiểu đơn vị xúc tác không hoạt động cho đến khi không còn phân ly các tiểu đơn vị quy định. Sau khi giải phóng tiểu đơn vị xúc tác của nhiều cơ chất phosphoryl hóa PKA bằng cách sử dụng ATP là nhà cung cấp phosphate.

 

S-adenosylmethionine là một dạng kích hoạt methionine phục vụ như là một nhà cung cấp methyl trong các phản ứng methyl hóa và là một nguồn propylamine trong quá trình tổng hợp polyamines.

Xem toàn bộ bài viết tại đây.

Short amazing GPCR video

GPCR, một trong những họ thụ thể quan trọng nhất của cơ thể sinh vật nói chung và con người nói riêng. Hy vọng video này sẽ giúp các bạn hiểu rõ hơn về lịch sử cũng như những khía cạnh khác của nó!

 

CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA CÁC HỢP CHẤT PHOSPHATE VÔ CƠ (SINH HỌC)

Phần 1: CẤU TRÚC CÁC HỢP CHẤT PHOSPHATE VÔ CƠ

Để có một cái nhìn đầy đủ về những quá trình sinh lý xảy ra trong cơ thể sống, chúng ta cần hiểu rõ cấu trúc hóa học của các hợp chất tham gia vào các quá trình đó, mà hợp chất phosphate hầu như luôn luôn xuất hiện. Do vậy, chương này sẽ trình bày về quá trình tìm kiếm và những kiến thức mới nhất của nhân loại về cấu trúc hóa học của hợp chất phosphate lõi (condensed phosphate) – loại hợp chất trước đây thường được gọi với cái tên dài hơn là metaphosphates và hexametaphosphates (nay không còn dùng nữa).

Cấu trúc của hợp chất phosphate lõi

Việc xác định được cấu trúc phân tử của các hợp chất phosphate là một quá trình hết sức gian nan. Vào năm 1816, Berzelius đã quan sát thấy rằng những sản phẩm được tạo ra từ việc nung nóng acid orthophosphoric (H3PO4) có thể làm kết tủa protein. Graham sau đó cho rằng mình đã thu được NaPO3 khi nung chảy NaH2PO4 vào năm 1833 và đặt tên cho nó là metaphosphate. Nhưng chỉ ít lâu sau đó, Fleitmann và Henenberg (1848) đã chứng minh được rằng metaphosphate có cấu trúc chung là MPO3 (với M là hydrogen hay là một kim loại có hóa trị I). Có rất nhiều nghiên cứu được tiến hành từ sau đó, trong suốt một trăm năm, các nhà khoa học không ngừng nghỉ tìm kiếm các hợp chất phosphate mới và đặt tên cho các sản phẩm mình thu được. Tuy nhiên, sự thật lại quá phủ phàng khi mà hầu hết các công trình đó đều thất bại vì họ chỉ thu được các “hỗn hợp chất” với thuộc tính thay đổi ở mỗi lần thí nghiệm (do tỉ lệ nồng độ giữa các chất thay đổi). Phải mãi đến những năm 50 và 60 của thế kỉ 20, Thilo, Van Wazer, Ebel và Boulle đã xác định được chính xác cấu trúc và thuộc tính của gốc phosphate trong các hợp chất và đưa ra được bảng phân loại dựa trên danh pháp của họ.

Theo cách phân loại hiện nay, các hợp chất phosphate lõi được chia thành cyclophosphate, polyphosphate và phosphate phân nhánh vô cơ (ultraphosphate).

Hợp chất phosphate vòng (cyclophosphates)

Hợp chất thật sự được gọi là cyclophosphate (hay metaphosphate) là những hợp chất anion vòng. Từng bị lẫn lộn với MPO3 (do Graham đưa ra nhận định sai lầm của mình). Chỉ có 2 đại diện tiêu biểu cho nhóm này là M3P3O9 (cyclotriphosphate) và M4P4O12(cyclotetraphosphate), chúng được minh họa trong hình dưới đây.

Người ta chưa thể phân lập được hợp chất mono- hay di- metaphosphates trên thực tế cũng như chưa có được những dữ kiện lý thuyết chắc chắn. Nhưng những hợp chất vòng phosphate chứa nhiều hơn 10 hay 15 nhóm phosphate (crystalline) tồn tại dưới dạng tinh thể đã được phân lập vào năm 1958 bởi Van Wazer.

Hình 13.1: Cấu trúc (a) Vòng 3 phosphate và (b) vòng 4 phosphate. M là proton hoặc các kim loại hóa trị một.

Polyphosphate

Polyphosphate (PolyPs) được hình thành theo chuẩn tiếp chung là M(n+2)PnO(3n+1). Các anion của nó tạo thành một chuỗi mà trong đó mỗi nguyên tử của nguyên tố phosphorus liên kết với phân tử kế cận thông qua hai nguyên tử của nguyên tố oxygen. Do đó, polyphosphate tạo thành một cấu trúc không phân nhánh, có thể biểu diễn dưới dạng biểu đồ trong hình dưới đây. Độ lớn của n dao động từ 2 đến 106, và khi giá trị của n tăng lên, tỉ lệ cation/phosphorus xấp xỉ hợp chất cyclophosphate dẫn đến việc có thể có sự chuyển đổi qua lại giữa hai loại hợp chất này. Do vậy dễ dẫn đến sự ngộ nhận hai loại chất này là một. Khi n dao động từ 2-5 thì hợp chất này tồn tại dưới dạng tinh thể bền vững, khi n cao thì cân bằng chuyển đổi bắt đầu được thiết lập.

Hình 13.2: Minh họa cấu trúc của polyphosphate. Ta có thể thấy là hai tiểu đơn vị trong cấu trúc polyphosphate liên kết với nhau bằng nguyên tử của nguyên tố oxygen.

Khi n = 1 ta có orthophosphate (Pi), khi n = 2 ta có pyrophosphate (PPi). Cách gọi tên khi n>3 có khác một chút với các hợp chất cyclophosphate, cụ thể khi n = 3 ta sẽ gọi là tripolyphosphate, n = 4 ta có tetrapolyphosphate,…

Khi n vào khoảng 102 và cation là Na+, ta thu được muối Graham.

Khi n khoảng 2 x 104 và cation là K+, ta thu được một hợp chất có cấu trúc dạng amiang (asbestos), hay còn gọi là muối Kurrol.

Có một điều rất đáng ghi nhận là không phải hợp chất polyphosphate nào cũng có thể tồn tại ở dạng tinh thể. Lý do mà muối Graham không thể kết tinh được là vì cấu trúc này luôn có sự tồn tại của nhiều chuỗi polyphosphate chỉ khác nhau ở độ dài. Hơn nữa, độ dài các chuỗi polyphosphate gần bằng nhau của chúng  khiến sự kết tinh cũng khó có thể xảy ra bởi vì sự “kéo dài chuỗi” không thuận lợi về mặt năng lượng do các chuỗi có thể thay thế lẫn nhau vô trật tự khi quá trình kết tinh hóa xảy ra. Ngoài ra, yếu tố ảnh hưởng đến độ dài tối đa mà các hợp chất polyphosphate có khả năng kết tinh đó là sự tăng phân cực của phân tử.

Bảng 13.1: Mô tả thành phần của một mẫu muối Graham’s (Dirheimer, 1964). Ta có thể thấy là luôn tồn tại một lượng cyclophosphate nhất định trong hai mẫu thử pha lẫn với một loại polyphosphate.

Phosphate vô cơ phân nhánh (branched inorganic phosphates – ultraphosphates)

Đây là những hợp chất phosphate cao phân tử không tồn tại dạng mạch thẳng như polyphosphate mà có những điểm nhánh trong cấu trúc của mình. Ví dụ như nguyên tử nguyên tố phosphorus liên kết với 3 thay vì 2 nguyên tử nguyên tố phosphorus kế cận.

Hình 13.3: Cấu trúc phân tử của hợp chất phosphate phân nhánh

Mặc dù các phân tử phosphate phân nhánh chưa được tìm thấy trong các phân tử sống (có lẽ do chúng bị phân hủy khá nhanh trong dung dịch nước, nhạy cảm với pH cũng như nhiệt độ cơ thể), hợp chất này vẫn được tin rằng có tồn tại trong các phân tử sinh học.

Hình 13.4: Mô phỏng cấu trúc của một số phân tử phosphate phân nhánh. Hình đầu tiên là [Na3H(PO)3)4](Jost, 1968), cấu trúc cuối cùng là [NaMn(PO3)3]n (Murashova và Chudinova, 1997)

Một vài thuộc tính hóa học của các hợp chất phosphate lõi vô cơ

Polyphosphate acid là một acid có hai nhóm hydroxyl (-OH) có khả năng phân ly proton khác nhau. Trong đó, nhóm hydroxyl phân cắt cuối cùng thể hiện tính acid yếu. Ngược lại, nhóm hydroxyl đầu tiên lại là một acid rất mạnh nhờ cặp electron dùng chung của nhóm bị phân cực mạnh về phía chuỗi polyphosphate bởi hiệu ứng liên hợp.

Cyclophosphate thì lại chỉ có một nhóm hydroxyl có thể hiện tính acid, và nó là nhóm acid mạnh với khả năng phân ly gần như hoàn toàn. Do vậy người ta dựa vào sự khác nhau này để phân biệt cyclophosphate và polyphosphate. Phương pháp này lần đầu tiên được dùng để xác định chiều dài trung bình của chuỗi phosphate lõi vào năm 1950 bởi Wan Wazer và nó cũng được dùng để phá vỡ đức tin “clyclophosphate và polyphosphate là một” đã kéo dài hơn một trăm năm trước.

Tất cả muối kiềm của polyphosphate đều tan trong nước trong đó kali pyrophosphate tan rất nhiều, 100 g nước có thể hòa tan đến 187.4 g K4P2O7. Tuy nhiên, nhóm muối Kurrol và Maddrell (đại tinh thể phân tử natri polyphosphate)  lại không tan trong nước, riêng nhóm muối Kurrol tan được trong dung dịch muối kiềm hóa trị I (trừ muối của K+).

Các polyphosphate và cyclophosphate ổn định trong dung dịch nước trung tính hơn các phosphate phân nhánh ở nhiệt độ phòng. Sự thủy phân của liên kết P-O-P trong chuỗi polyphosphate đòi hỏi đến 10 kcal/mol – bằng với năng lượng thủy phân của liên kết của cyclophosphate và gốc phosphate hoạt động của phân tử ATP.

Hình 13.5: biểu diễn độ tan của hai polyphosphate trong ethanol

Các hợp chất phosphate phân nhánh có cấu trúc kém ổn định do vậy khả năng thủy phân của nó trong nước ở 25oC nhiều hơn 1000 lần so với các polyphosphate (do cấu trúc ổn định và bền vững). Các polyphosphate và cyclophosphate thủy phân rất chậm ở pH trung tính và nhiệt độ phòng với thời gian bán hủy của liên kết P-O-P lên tới vài năm.

Đọc toàn bộ bài viết tại đây.

Những kiến thức cơ bản về Carbohydrate

Carbohydrate đóng vai trò quan trọng trong hóa học hữu cơ kể từ khi khám phá của Emil Fischer (1884-1891). Tên gọi Carbohydrate xuất phát từ hợp chất chứa C, H, O với tỉ lệ H : O luôn là 2:1 ( giống như H2O). Cách gọi này không đúng nhưng vẫn dược hiểu là nước không tồn tại trong carbohydrate. Ngày nay thường gọi là dẫn xuất polyhydroxyaldehyde hay polyhydroxycetone. Ngoài ra còn được gọi là glucide hay đường saccharide. Từ saccharide bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp “sakkarism” nghĩa là “ đường ăn”.

Carbohydrate là nhóm phân tử sinh học có mặt nhiều nhất trên trái đất. Hàng năm thực vật và tảo có khả năng biến đổi hơn 100 tỉ m3 CO2và H2O thành glucose và sản phẩm hữu cơ khác. Một số carbohydrate như đường, tinh bột là thức ăn chủ yếu của con người. Quá trình oxy hóa carbohydrate là nguồn cung cấp năng lượng chủ yếu ở tế bào dị dưỡng.

Monosaccharide là đường đơn tương ứng với một đơn vị polyhydroxyaldehyde hoặc cetone, phổ biến nhất là D- glucose. Oligosaccharide là một chuỗi chứa một số ( thường là 2,3,4 ) đơn vị monosaccharide nối với nhau thông qua liên kết glucoside, phổ biến nhất là đường đôi disaccharide D-glucose nối với D-fructose bằng liên kết cộng hóa trị. Những oligosaccharide chứa nhiều hơn 3 đơn vị monosaccharide hầu như ít gặp trong tự nhiên ở trạng thái tự do. Polysaccharide là chuỗi dài chứa hàng trăm, hàng nghìn đơn vị đường đơn, trong đó có một số ở dạng sợi dài như cellulose và một số khác ở dạng phân nhánh rất mạnh như glucogen. Hai dạng polysaccharide phổ biến nhất trong tự nhiên là Cellulose và tinh bột đều được tạo từ D-glucose nhưng được liên kết khác nhau.

Trong thực vật, glucide vừa là vật liệu dự trữ vừa tham gia vào thành phần của mô nâng đỡ. Đối với con người và động vật, glucide là chất dinh dưỡng giúp cho cơ thể tiến hành các chức năng khác nhau và tham gia vào việc bảo vệ cơ thể khỏi bị nhiễm trùng, tham gia vào quá trình phục hồi và điều hòa phản ứng enzymee.

Khái niệm

Carbohydrate còn gọi là glucide có công thức chung Cm(H2O)2n là một trong những thành phần cơ bản của tế bào và mô trong cơ thể sinh vật, chủ yếu là thực vật.

Thực vật : chiếm khoảng 75% trong các bộ phận như củ, quả, lá, thân, cành.

Động vật : chiếm khoảng 2% trong gan, cơ máu…

Nguồn gốc glucide trong tự nhiên: Được hình thành từ trong lá cây của thực vật nhờ quá trình quang hợp của ánh sáng mặt trời và sắc tố xanh chlorophyll ( diệp lục ).

Carbohydrate có thể được chia làm 3 nhóm :

1.Monosaccharide :

1.1 Khái niệm và phân loại :

Monosaccharide đầu tiên được tìm thấy là glucose với cấu trúc 5 nhóm hydroxyl, bởi Alexander Kolli (1869).

Monosaccharide còn gọi là đường đơn vì chúng là thành phần đơn giản nhất của carbohydrate và không bị thủy phân. Monosaccharide được xem là sản phẩm oxy hóa không hoàn toàn của các polyalcol, công thức có chứa chức aldehyde và cetone.

Thông thường để biểu diễn một phân tử monosaccharide người ta sử dụng hình chiếu Fisher trong đó sườn carbon nằm trên trục thẳng đứng nhóm carbonyl nằm ở vị trí cao nhất(3).

Trong công thức carbohydrate tồn tại carbon bất đối xứng mang bốn nhóm thế khác nhau. Vì thế tồn tại hai dạng công thức với mỗi dạng quay mặt phẳng ánh sáng phân cực theo các góc khác nhau. Để biểu diễn công thức khác nhau danh pháp D và L được sử dụng cùng với (+) và (-) để chỉ chiều quay.

Monosaccharide gọi là D hay L tùy theo cấu hình của carbon phi đối xứng ở vị trí thấp nhất trên trục thẳng đứng của hình chiếu Fisher, còn gọi là nguyên tử carbon tham chiếu.

–                       Nếu nhóm OH gắn với carbon tham chiếu nằm bên phải thì gọi là D.

–                      Nếu nhóm OH gắn với carbon tham chiếu nằm bên trái thì gọi là L.

Cách gọi tên các hợp chất monosaccharide :

–          Trong công thức mang nhóm aldydehyde thì gọi là : Aldose

–          Trong công thức mang nhóm cetone thì gọi là : Cetose

Công thức của glucose đã được xác lập vào giữa thế kỷ 19 dựa vào các công trình nghiên cứu của các nhà hóa học như Dumas, Berthelot, Fittig, Bayer và Tollens. Tính triền quang của glucose và một số đường khác cũng được thừa nhận trong khoảng thời gian đó, nhưng cấu trúc phân tử chỉ được biết đến khi Van’t Hoff và LeBel công bố lý thuyết về nguyên tử carbon phi đối xứng vào năm 1874.

Đã từng có rất nhiều nghiên cứu cho rằng glucose có cấu trúc mạch thẳng nhưng cấu trúc này không giải thích được một số tính chất hóa học của glucose:

– Glucose chỉ cho một số nhưng không phải tất cả các phản ứng đặc trưng của aldehyde mạch thẳng.

– Phản ứng của glucose với 1 mol methanol trong môi trường acid cho hai đồng phân acetal.

– Kết tinh glucose từ dung dịch nước cho hai dạng glucose với năng suất quay cực khác nhau       ([α]+112 và =18,7o) cả hai dạng glucose này đều có năng suất quay cực thay đổi và dừng lại cùng một vị trí [α]+52,7. Quá trình này gọi là đa triền hóa.

Tất cả quan sát trên đều được giải thích nếu cho rằng glucose tồn tại ở dạng vòng hemiacetal, tạo thành từ phản ứng trí hóa nội phân tử của một nhóm hydroxy vào nhóm aldehyde.

Ngày nay người ta biết rằng glucose tồn tại chủ yếu dưới dạng hemiacetal vòng 6 với hai đồng phân xuyên lập thể chỉ khác nhau ở cấu hình của nguyên tử carbon hemiacetal phi đối xứng, còn được gọi là carbon anomer.

Đọc toàn bộ bài viết tại đây.

ĐẠI CƯƠNG PHÂN TỬ LIPID SINH HỌC

Phùng Trung Hùng – Nguyễn Phước Long

Các chức năng sinh học chính của lipids

Lipid là phân tử sinh học không tan trong dung dịch nước và tan trong các dung dịch có dung môi hữu cơ. Lipid có các vai trò sinh lý học quan trọng, trong đó có 4 chức năng chính:

–          Thành phần màng tế bào.

–          Cung cấp năng lượng dưới dạng triacylglycerols.

–          Cả lipid và dẫn xuất của lipid với vai trò là vitamins và hormone.

–          Acid mật.

Hình 15.1: Phân loại các lipid chính.

Acid béo

Có hai vai trò chính trong cơ thể:

–          Thành phần phức tạp của màng tế bào.

–          Thành phần quan trọng trong dự trữ chất béo dưới dạng triacylglycerols.

Hình 15.2: Một vài phản ứng sinh tổng hợp các acid béo. Mũi tên xanh mô tả các quá trình biến đổi xảy ra trong cơ thể.

Acid béo là phân tử hydrocarbon chuỗi dài có chứa nhóm chức carboxylic acid ở một đầu tận. Số lượng carbon trong acid béo được tính ở carbon ở nhóm chức carboxylic. Ở pH sinh lý, nhóm carboxylic ở dạng thái ion, mang điện tích âm trong dịch cơ thể.

Acid béo không có chứa nối đôi được gọi là acid béo bão hòa (no) và acid béo có chứa nối đôi được gọi là acid béo chưa bão hòa (không no). Trong trường hợp có nhiều nối đôi trong phân tử acid béo, ta gọi acid béo đó là acid béo không no có nhiều nối đôi (polyunsaturated fatty acids – PUFAs). Con số đánh dấu acid béo có nguồn gốc từ nguyên tố carbon có nối đôi. Ví dụ palmitic acid là một acid béo 16 carbon không có nối đôi, nó được kí hiệu là 16:0.

Vị trí không no trong acid béo được kí hiệu là delta và số của carbon đầu tiên tại vị trí nối đôi so với nhóm carboxyl của acid (vốn mặc định là 1). Ví dụ, palmitoleic acid là một acid béo 16 carbon và có một vị trí nối đôi giữa carbon số 9 và 10 nên được kí hiệu là16:1Δ9.

Hình 15.3: Các acid béo quan trọng

Acid béo bão hòa có ít hơn 8 carbon tồn dại dưới dạng lỏng ở nhiệt độ sinh lý còn các acid béo có nhiều hơn 10 carbon luôn ở thể rắn. Acid béo bão hòa có nhiệt độ sôi cao hơn acid béo không bão hòa.

Các acid béo quan trọng được tìm thấy trong cơ thể đều có nguồn gốc từ thức ăn. Tuy nhiên, khả năng sinh tổng hợp acid béo của cơ thể (nhờ enzyme) có thể giúp cơ thể có được nhiều loại acid béo cấu trúc cần thiết. Có hai ngoại lệ lớn là PUFAs – linoleic acid và α-linolenic acid (có nối đôi ở carbon 9 và 10). Hai acid béo này không thể được tổng hợp từ các tiền chất có trong cơ thể và do vậy được gọi là các acid béo thiết yếu (với cách hiểu là nó cần phải được cung cấp từ môi trường). Hai ngoại lệ này cũng được gọi là acid béo omega (ω). Linoleic acid là một omega-6 PUFA và α-linolenic là một omega-3 PUFA. Chức năng của các PUFA như linoleic và α-linolenic trong quá trình tổng hợp các lipid sinh học quan trọng được đề cập ở dưới đây.

Hình 15.4: Cơ chế hấp thu chất béo. Để tâm con đường đi của acid béo tự do khác với các loại khác như thế nào.

Omega-3 và -6, polyunsaturated fatty acids (PUFAs)

Thuật ngữ omega ám chỉ nguyên tố carbon tận cùng, xa nhất so với nhóm carboxyl. Do vậy khi nói một acid béo omega-3 là chỉ vị trí đầu tiên có liên kết đôi của nó. Do vậy, một omega-3 acid béo như α-linolenic acid (ALA) sẽ có ba nối đôi. Có nhiều loại omega-3 acid béo quan trọng được tiêu hóa trong thức ăn và được dùng cho cơ thể như: ALA, eicosapentaenoic acid (EPA), docosahexaenoic acid (DHA). Khi quá trình tiêu hóa xảy ra, cơ thể sẽ chuyển ALA thành EPA và DHA – hai loại omega-3 acid béo chính được sử dụng trong cơ thể và là những tiền chất chính cho quá trình điều biến tổng hợp và sử dụng lipid cho các quá trình tín hiệu tế bào, biểu hiện gene và phản ứng viêm.

Phần lớn omega-6 PUFAs đến từ thức ăn từ dầu thực vật và chứa nhiều linoleic acid. Linoleic acid được chuyển thành γ-linolenic acid (GLA) trong cơ thể. Cần phân biệt GLA với ALA. GLA được chuyển đổi thành dihomo-γ-linolenic acid (DGLA) và sau đó thành arachidonic acid.

Hình 15.5: Thành phần acetyl của lipid.

Cấu trúc cơ bản của Triacylglycerides

Triacylglycerids được cấu tạo bởi một bộ khung glycerol và 3 acid béo.

Đọc toàn bộ bài viết tại đây.