Tag Archives: NADPH

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.

Sinh lý học vitamins và khoáng chất

Phùng Trung Hùng – Lê Minh Châu – Nguyễn Phước Long

Vitamin là những phân tử hữu cơ đóng vai trò rất quan trọng đối với cơ thể chúng ta. Trong đó,  chức năng cofactor (co-enzyme) trong phản ứng enzyme là quan trọng nhất. Các vitamin chỉ được cung cấp bởi thức ăn hằng ngày chứ không được cơ thể tổng hợp và được chia làm 2 loại: tan trong nước và tan trong dầu.

Chất khoáng rất quan trọng trong các phản ứng sinh hóa của cơ thể. Có 2 loại chất khoáng: nguyên tố đa lượng và nguyên tố vi lượng. Nguyên tố đa lượng gồm: sodium, magnesium, phosphorus, sulfur, chlorine potassium và calcium. Nguyên tố vi lượng gồm: các nguyên tố cần thiết cho cơ thể  (manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, selenium, molybdenum và iodine) và các nguyên tố không thiết yếu (boron, chromium, fluoride và silicon)

Thiamin

Hình 17.1: Cấu trúc của thiamin. Đây là vitamin được phát hiện đầu tiên.

Còn được gọi là thiamine hay vitamin B1. Thiamin được tạo từ 1 phân tử dẫn xuất của pyrimidine nối với 1 phân tử thiazole bằng cầu nối methylene. Ở não và gan dưới tác động của enzyme thiamin diphosphotransferase, thiamin nhanh chóng chuyển thành dạng hoạt động (thiamin pyrophosphate, TPP).

Thiamin pyrophosphophate

TPP là cofactor của enzyme tham gia xúc tác phản ứng trong chu trình TCA hay xúc tác các phản ứng transketolase trong con đường pentose phosphate(pyruvate dehydrogenase (PDH) và α-ketoglutarate dehydrogenase. Chính vì vai trò này mà khi thiếu thiamin, tế bào sẽ giảm khả năng tạo ra năng lượng.

Hình 17.2: Cơ chế chuyển hóa kị khí.

Lượng thiamin đưa vào cơ thể dao động trong khoảng từ 1-1.5 mg/ngày ở người lớn. Dù vậy lượng thiamin này cần cân đối với lượng calo đưa vào (đối với khẩu phần ăn chứa nhiều carbohydrate thì cần phải tăng lượng thiamin cần được đưa vào).

Hình 17.3: Quá trình tổng hợp TPP.

Hình 17.4: Nitrogen tích điện dương trên vòng thiazole của TPP sẽ giúp phản ứng decarboxyl xảy ra, tạo thành hydroxyethyl-TPP.

Trong quá trình phân hóa carbohydrate không có oxygen, pyruvic acid được tạo ra rồi sau đó bị khử thành lactic acid khi tế bào cơ hoạt động. Khi lactic acid vào thể dịch, nó sẽ được oxy hóa bởi oxygen để trở thành lại pyruvic acid; phân tử này được tích lũy trong cơ thể và sau đó được chuyển đổi thành AcetylCoA (dưới sự xúc tác của TPP/cocarboxylase pyruvate carboxylase, Co A, NAD nicotinamide adenine dinucleotide và lipoic acid).

Các biểu hiện lâm sàng của thiếu hụt thiamin

Các triệu chứng sớm là: Táo bón, giảm ngon miệng, buồn nôn, trầm cảm, bệnh lý thần kinh ngoại biên và mệt mỏi. Thiếu thiamin mạn đưa đến những triệu chứng nghiêm trọng hơn đối với thần kinh như: ataxia, rối loạn tâm thần, mất khả năng phối hợp mắt (loss of eye coordination). Thiếu thiamin lâu ngày có thế làm xuất hiện các triệu chứng lâm sàng có liên quan đến khiếm khuyết ở hệ tim mạch và hệ cơ.

Beriberi là bệnh thiếu thiamin trầm trọng nhất, do chế độ ăn nhiều carbohydrate nhưng lại thiếu thiamin. Ngoài ra thiếu thiamin còn gây hội chứng Wernicle-Korsakoff, thường thấy ở những bệnh nhân nghiện rượu lâu năm do chế độ ăn nghèo dinh dưỡng. Hội chứng Wernicle-Korsakoffgồm: “wet brain” và sau đó là suy giảm trí nhớ ngắn hạn. Những bệnh nhân mắc hội chứng Wernicle-Korsakoff thường có bất thường về chuyển hóa ngay từ lúc mới sinh và hội chứng chỉ xảy ra khi chế độ ăn thiếu cân bằng thiamin. Người ta nghĩ rằng những người này thường có bất thường về enzyme transketolase.  Mặc dù đã có rất nhiều enzyme transketolase được nghĩ là liên quan đến hội chứngWernicle-Korsakoff nhưng hiện nay vẫn chưa có đột biến nào được tìm thấy trên các gene mã hóa enzyme được dòng hóa từ những cha mẹ có hội chứng này.

 

 

Riboflavin

Riboflavin tạo nên các coenzyme: flavin mononucleotide (FMN) và flavin adenine dinucleotide (FAD). Riboflavin tổng hợp 2 cofactor này theo 2 bước. FMN được tổng hợp từ riboflavin thông qua enzyme riboflavin kinase phụ thuộc ATP (RFK). RFK đưa nhóm phosphate đến kết hợp với đầu tận hydroxyl của riboflavin và chuyển thành FAD khi có mặt AMP (được tạo ra từ ATP) thông qua hoạt động của FAD pyrophosphorylase (hay còn được gọi là FMN adenylyltransferase, FMNAT).

Hình 17.5: Mối liên quan giữa RF, FMN và FAD.

Các flavoprotein là những enzyme cần đến FMN và FAD. Vài enzyme này có ion kim loại nên được gọi là metalloflavoprotein. Cả 2 loại enzyme đều có trong các phản ứng oxi hóa khử (ví dụ: succinate dehydrogenase và xanthine oxidase).  Khi phản ứng xảy ra, FMNH2 và FADH2 được tạo thành. FADH2 có hydrogen ở nitrogen 1 và 5. Một ngày, một người lớn cần 1,2 đến 1,7 mg riboflavin

Triệu chứng lâm sàng của thiếu Flavin

Thiếu riboflavin rất hiếm ở Mĩ vì chế độ ăn nhiều trứng, sữa, thịt và ngũ cốc. Thiếu hụt Riboflavin chỉ gặp ở những người nghiện rượu lâu năm do chế độ ăn thiếu dinh dưỡng hằng ngày của họ.

Các triệu chứng của thiếu riboflavin: ngứa và đỏ mắt, viêm khóe miệng và nứt môi (môi và miệng xuất hiện các vết nứt và đau), mắt đỏ, viêm lưỡi (viêm làm lưỡi có màu tím), tăng tiết bã nhờn (gàu và vẩy xuất hiện ở da đầu và mặt), run, uể oải và sợ ánh sáng. Riboflavin phân hủy khi gặp ánh sáng do vậy các trẻ sơ sinh bị tăng bilirubin trong máu được điều trị bằng liệu pháp ánh sáng dễ bị thiếu hụt riboflavin.

Hình 17.6: Flavin coenzyme có thể thamg gia phản ứng oxi hóa – khử 1 hay 2 electron để tạo thành gốc tự do flavin trung gian.

Niacin

Còn được gọi là vitamin B3, được tạo nên bởi nicotinic acid và nicotinamide. Niacin cần thiết để tổng hợp nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) và nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP+) – 2 dạng hoạt động của vitamin B3. NAD+ và NADP+ đều là cofactor của nhiều enzyme dehydrogenase như lactate dehydrogenase và malate dehydrogenase.

Xét về bản chất Niacin không được xem là vitamin thật sự vì niacin có thể được tạo từ amino acid tryptophan.  Mặc dù vậy, khả năng tổng hợp niacin của tryptophan rất kém (để tổng hợp được 1 mg niacin cần đến 60 mg tryptophan) và để tổng hợp được niacin từ tryptophan còn cần các vitamin B1, B, B6Mỗi ngày, một người lớn cần được cung cấp 13 đến 19 NE (niacin equivalent), 1 NE tương đương với 1 mg niacin tự do.

Những triệu chứng lâm sàng của thiếu niacin và nicotic acid

Khẩu phần ăn thiếu niacin hay tryptophan có thể dẫn đến các hậu quả sau: viêm lưỡi (lưỡi trở nên tím), viêm da, sụt cân, tiêu chảy, trầm cảm và mất trí. Pellagra là bệnh bao gồm các triệu chứng nặng của thiếu niacin như là trầm cảm, viêm da, tiêu chảy. Ngoài khẩu phần ăn, một số tình trạng sinh lí (như mắc bệnh Hartnup) hay đang dùng thuốc  Isonazid (dạng hydrazide của isonicotinic acid) để điều trị bệnh lao cũng có thể dẫn đến tình trạng thiếu hụt niacin. Trong bệnh Hartnup, khả năng hấp thu tryptophan của cơ thể bị suy giảm và trong malignant carcinoid syndrome,  quá trình chuyển hóa tryptophan bị thay đổi do serotonin được tổng hợp quá nhiều.

Nicotinic acid (không phải nicotinamide),khi dùng ở liều 2-4g/ngày có thể làm hạ nồng độ cholesterol trong bào tương và được dùng trong điều trị bệnh cholesterol trong máu cao. Cơ chế của việc này là, ở liều lượng như trên, nicotinic acid làm giảm sự huy động acid béo từ mô mỡ cũng như giải phóng glycogen và mỡ dự trữ trong cơ vân và cơ tim. Sự tạo uric acid luôn đi kèm với việc tăng glucose trong máu vì vậy không dùng nicotinic acid cho người béo phì có đái tháo đường và người bị bệnh gout.

Pantothenic acid

Hình 17.7: Cấu trúc của Pantothenic acid.

Còn được gọi là vitamin B5. Pantothenic acid được tạo thành từ β-alanine và acid pantoic. Quá trình tổng hợp coenzyme A từ pantothenate trải qua 5 giai đoạn. Dưới tác động của pantothenate kinase, nhóm hydroxyl của pantothenateđược phosphoryl hóa và nhóm sulfhydryl phản ứng của cysteine được thêm vào nhờ vào hoạt động của phosphopantothenoylcystein synthase. Sau 3 phản ứng nữa, phân tử được khử carboxyl và ADP được thêm vào để tạo nên coenzyme A hoàn chỉnh về chức năng.

Pantothenate cần cho quá trình tổng hợp coenzyme A – CoA và cũng là thành phần câu tạo nên protein vận chuyển nhóm acyl (acyl carrier protein – ACP) của quá trình tổng hợp acid béo. Vì vậy, pantothenate cần cho quá trình chuyển hóa của carbohydrate trong qua chu trình TCA. Ít nhất 70 enzyme cần CoA hay ACP cho hoạt động của chúng.

Tình trạng thiếu hụt pantothenic acid rất hiếm gặp vì chúng có trong ngũ cốc nguyên chất, đậu và thịt. Rất khó phát hiện các tình trạng thiếu hụt pantothenic acid vì tình trạng có các triệu chứng rất giống triệu chứng thiếu hụt các vitamin B khác như là đau rát bàn chân, biến dạng da, chậm phát triển, chóng mặt, rối loạn tiêu hóa, nôn, bồn chồn, chuột rút.

Vitamin B6

Chất khoáng

Calcium: cần cho quá trình khoáng hóa xương, chức năng tim mạch, chức năng của hệ tiêu hóa co cơ và đông máu. Biểu hiện và chức năng của Ca2+ sẽ được đề cập rõ ràng hơn ở các chương khác.

Chlorine (hay chloride ion): quan trọng trong việc duy trì chức năng của các bơm tế bào và được dùng để tạo HCl trong dạ dày.

Sắt: mặc dù là nguyên tố vi lượng nhưng chúng có vai trò rất quan trọng trong việc vận chuyển oxygen. Sắt là trung tâm chức năng của hem và vai trò của sắt là gắn oxi phân tử vào heme của hemoglobin để vận chuyển oxi từ phổi đến mô.

Magnesium: cần cho quá trình khoáng hóa xương và cần để ATP có thể hoạt động. Tất cả ATP trong tế bào đều có magnesium bám vào phosphate, phức hợp magnesium-ATP này giúp cho ATP có thể dễ dàng tách đầu tận phosphate (γ-phosphate) trong quá trình cung cấp năng lượng trong chuyển hóa tế bào. Cơ chế điều hòa nồng độ của Magnesium sẽ được thảo luận ở một chương riêng.

Phosphorus:là chất điện phân hệ thống quan trọng nhất, có vai trò như chất đệm trong máu dưới dạng phosphate ion PO43–. Phosphate cũng cần cho quá trình khoáng hóa xương và sử dụng năng lượng.

Potassium:là chất điện phân tuần hoàn chủ chốt trong quá trình điều hòa kênh Na+ phụ thuộc ATP, kênh này còn được gọi là Na+/K+-ATPases và chức năng cính của nó là dẫn truyền xung thần kinh trong não.

Sodium: cũng là chất điện phân tuần hoàn chủ chốt trong quá trình điều hòa kênh Na+ phụ thuộc ATP, kênh này còn được gọi là Na+/K+-ATPases và chức năng cính của nó là dẫn truyền xung thần kinh trong não.

Sulfur: có chức năng chính trong chuyển hóa amino acid nhưng cũng cần để điều chỉnh phức hợp carbohydrate có trong protein và lipid . Mặc dù vậy ở chức năng sau, sulfur có thể trở thành amino acid methionine

Nguyên tố vi lượng có chức năng chủ yếu là làm cofactor hay điều hòa chức năng của enzyme. Từ vi lượng nói lên rằng các chất khoáng này có thể tác động lên cơ thể dù có liều lượng rất nhỏ.

Đồng: quan trọng trong quá trình tạo máu, tổng hợp hemoglobin và tạo xương. Đồng còn có khả năng tạo năng lượng, chữa lành vết thương, đóng vai trò trong việc tạo vị giác, và góp phần tạo nên màu tóc và da. Đồng cũng tham gia vào sự tạo thành collagen (protein nhiều nhất trong cơ thể) nên đồng rất quan trọng trong việt tạo da, xương và mô liên kết

Iodine:cần cho quá trình tổng hợp hormone tuyến giáp vì vậy chúng đóng vai trò quan trọng trong việc điều hòa chuyển hóa năng lượng thông qua chức năng của tuyến giáp

Manganese: tham gia vào phản ứng chuyển hóa protein và chất béo, giúp cho hệ thần kinh khở mạnh, cần thiết cho chức năng tiêu hóa, tăng trưởng xương, chức năng miễn dịch. Ngoài ra manganese còn cần thiết cho chức năng của super oxide dismutase – SOD, enzyme cần cho quá trình ngăn chặn super oxide anions phá hủy tế bào.

Molybdenum” có vai trò chủ yếu là làm cofactor cho vài oxidase như xanthine oxidase (trong quá trình chuyển hóa purine nucleotide catabolism), aldehyde oxidase và sulfite oxidase.

Selenium:có vai trò điểu chỉnh hoạt động của  glutathione peroxidasethông qua sự gắn kết của nó vào protein để tạo selenocysteine.

Kẽm: là cofactor của hơn 300 enzyme khác nhau. Kẽm tương tác với insulin nên chúng vai trò rất quan trọng trong quá trình điều hòa lượng glucose trong máu thông qua hoạt động của insulin. Kẽm cũng thúc đẩy quá trình lành vết thương, điều hòa chức năng miễn dịch, là cofactor của các enzyme chống oxy hóa và rất cần thiết cho quá trình tổng hợp protein và tạo collagen.

Xem toàn bộ bài viết tại đây.