CHƯƠNG 2
Quá trình oxy hoá sinh học
2.1.Khái niệm chung
Ngay từ năm 1774, Lavoisier đã kết luận các chất bị đốt cháy là do kết hợp với oxy không khí. Khi nghiên cứu trao đổi khí ở động vật, ông cũng chứng minh rằng có hấp thụ oxy và thải CO2; đồng thời tạo nhiệt ở cơ thể chúng. Như vậy đốt cháy hay oxy hoá sinh học đều là quá trình gắn oxy của không khí với carbon và hydro của chất hữu cơ để tạo thành CO2 và nước; đồng thời giải phóng năng lượng.
Vào đầu thế kỷ XX, nhờ các công trình nghiên cứu của Borodin, Black, Paladin, Costưsep, Warburg, Vilăng,v.v...đã góp phần làm sáng tỏ vấn đề oxy hoá trong các điều kiện cơ thể mà đốt cháy cac chất hữu cơ xảy ra với tốc độ nhanh chóng. Hiện tượng đó gọi là quá trình “Oxy hoá sinh học “.
Theo quan điểm hiện đại, người ta cho rằng oxy hoá sinh học là oxy hoá hydo đã tách ra từ những chất bị oxy hoá để tạo thành nước. Trong tế bào sống, hydro của cơ chất không có khả năng tự tác dụng với oxy không khí, do đó cần có quá trình hoạt hoá hydro cơ chất hay oxy không khí nhờ các enzym đặc hiệu xúc tác.
Giai đoạn đầu oxy hoá các hợp chất hữu cơ trong tế bào tiến hành với sự tham gia của các dehydrogenase có coenzym là NAD+ (nicotinamid-adenin-dinucleotitd) hay NADP+ (nicotinamid-adenin-dinucleotitphosphat). Hydro cơ chất bị oxy hoá sẽ gắn vào các coenzym đó như sau:
SH2 + 2e- + NAD+ (NADP+) --> S+NADH + H+(NADPH + H+)
Từ NADH hay NADPH, hydro lại chuyển tới dehydrogenase có nhóm ngoại (prosthetic) là FAD (flavin- adenin- dinucleotid) :
NADH + H+ + FAD ----> NAD+ + FADH2
Tiếp đó, hydro lại chuyển từ FADH2 sang các hợp chất khác và cuối cùng chuyển tới oxy để tạo thành nước. Sản phẩm phân giải và oxy hoá sinh học chất béo và hydratcarbon là CO2 và nước, còn sản phẩm phân giải axit amin và các hợp chất chứa nitơ là CO2, H2O, ure và NH+3.
Các chất bị oxy hoá bằng dehydrogenase và pyridinnucleotid diễn ra thành những chuỗi phản ứng và chu trình phản ứng có quan hệ mật thiết với nhau. Những con đường phân giải hydratcarbon (glycolyse, pentosophosphat,..), phân giải axit béo ( b-oxy hoá) và protein, v.v...đều kết thúc bằng chu trình Krebs (citric hay di-, tricarboxylic). Những chất bị oxy hoá bằng chu trình Krebs giải phóng chính là các hydro và các hydro này bị oxy hoá trong chuỗi hô hấp.
Như trên đã nói, oxy hoá sinh học cũng có một số điểm tương tự với quá trình đốt cháy các chất hữu cơ ngoài cơ thể, ví dụ về mặt nhiệt lượng tạo thành khi oxy hoá một phân tử gam glucose thì quá trình oxy hoá sinh học hay đốt cháy đều thu được - 673 kcal/mol. Tuy nhiên, ở tế bào sống có hàng loạt các đặc tính riêng biệt.
Các đặc tính này hình thành trong quá trình tiến hoá lâu dài và hướng theo con đường sử dụng năng lượng tới mức cao nhất. Giữa oxy hoá sinh học và quá trình đốt cháy có một số điểm khác nhau cơ bản như sau :
a). Đốt cháy xảy ra ở ngoài cơ thể và ở nhiệt độ cao, còn oxy hoá sinh học xảy ra ở nhiệt độ thấp, lại có tốc độ rất cao.
b). Đốt cháy giải phóng năng lượng ở dạng nhiệt, còn oxy hoá sinh học năng lượng giải phóng không chỉ ở dạng nhiệt năng mà còn ở cả dạng liên kết hoá học, trong đó phải kể tới vai trò quan trọng của các liên kết cao năng như ATP.
c). Phản ứng đốt cháy xảy ra một giai đoạn, còn oxy hoá sinh học cơ chất bị oxy hoá dần dần chuyển thành các sản phẩm đơn giản hơn và cuối cùng bị oxy hoá hoàn toàn, nghĩa là xảy ra thành chuỗi phản ứng nhiều giai đoạn.
d). Đốt cháy nhờ tác dụng nhiệt, còn oxy hoá các chất hữu cơ trong cơ thể sống phụ thuộc vào các enzym - chất xúc tác và điều chỉnh sinh học. Toàn bộ quá trình oxy hoá chất hữu cơ bao gồm nhiều giai đoạn kế tiếp nhau, mỗi giai đoạn do các enzym tương ứng xúc tác.
2.2. Bản chất oxy hoá khử
Những kết quả nghiên cứu các quá trình oxy hóa khử đã rút ra kết luận: quá trình oxy hoá không phải luôn luôn nhất thiết phải gắn oxy trực tiếp vào cơ chất và quá trình khử cũng không bắt buộc phải trực tiếp gắn hydro mà là biến đổi điện tử trên vỏ các phân tử chất tham gia phản ứng. Cho nên, có thể định nghĩa: “Oxy hoá là điện tử ra khỏi cơ chất, còn khử là gắn điện tử vào cơ chất “. Do đó, mỗi quá trình oxy hoá khử trong cơ thể sống đều có khả năng nhường hoặc thu điện tử. Khi điện tử từ các chất oxy hoá cung cấp, lại truyền đến chất khử. Một cặp oxy hoá khử như vậy gọi là hệ thống oxy hoá khử. Ví dụ, chúng ta có hệ thống oxy hoá khử dưới đây :
Cu2+ + Zn -------> Cu + Zn2+
Qua đây, thấy ion đồng bị kim loại kẽm khử, đồng trở thành đồng kim loại, còn kẽm trở thành ion kẽm (Zn2+). Quá trình oxy hoá khử chia làm hai phản ứng như sau :
Zn ---------> Zn2+ + 2e -
Cu 2+ + 2e - ---------> Cu
Hướng dòng điện tử trong hệ thống này từ kẽm đến đồng. Như vậy đồng có ái lực với điện tử lớn hơn kẽm, do đó kẽm là chất khử bị oxy hoá, còn đồng là chất oxy hoá bị khử.
Tiếp theo, chúng ta quan sát quá trình oxy hoá chất hữu cơ, cụ thể là quá trình oxy hoá hydroquinon bằng oxy :
OH O
+ 1/2 O2 + H2O
Quá trình truyền hydro diễn ra nhiều bước :
-Bước 1 : Phân ly hydroquinon thành anion hydroquinon :
OH O -
+ H2O
-Bước 2 : Truyền điện tử từ ion hydroquinon đến oxy để tạo thành quinon :
OH O
+ 1/2 O2 + O --
-Bước 3 : Kết hợp O2+ với 2H + để tạo thành nước :
O2+ + 2 H+ H2OThực chất quá trình oxy hoá khử này là bước thứ hai. đó là bước hạt nhân của quá trình chung. Những điện tử riêng không truyền theo từng cặp, mà truyền từng điện tử một.
Từ ví dụ trên cho thấy trong quá trình oxy hoá khử, dòng điện tử đi đến oxy, như vậy oxy là chất nhận điện tử giới hạn.
Người ta cũng có thể ứng dụng ví dụ mô hình trên cho việc tách hydro từ những liên kết hữu cơ băng oxy; các quá trình này cũng diễn ra qua nhiều bước. Bước đầu tiên là phân ly hydro (proton), bước thứ hai tách điện tử, v.v... Quá trình tách hydro gọi là dehydro hoá. Dehydro hoá cơ chất và quá trình truyền hydro trong trao đổi chất trung gian đều diễn ra rất giống với các bước đã trình bày ở trên.
2.3. Thế oxy hoá khử
Người ta có thể đo được ái lực điện tử của từng chất, có nghĩa là người ta có thể đo truyền điện tử từ chất oxy hoá đến chất khử nhờ những dụng cụ đo thích hợp, ví dụ như chuỗi Calvin.
Trong thực tế, người ta đo thế oxy hoá khử so với thế năng của điện cực hydro qui ước bằng không (zero = 0). Nguyên tắc truyền điện tử theo hướng từ cực có thế năng thấp đến cực có thế năng cao hơn. Hydro có thế năng oxy hoá thấp nhất, còn oxy có thế năng oxy hoá cao nhất. Các hợp chất khác có thế năng ở mức trung gian giữa thế oxy hoá của hydro và oxy. Vì vậy, hệ thống oxy khử thì chất oxy hoá mạnh có khả năng thu điện tử của các hợp chất khác dễ dàng; đồng thời bản thân chúng bị khử, vì chúng là các chất có thế oxy hoá cao. Ngược lại, các chất khử là những chất dễ nhường điện tử, nên chúng dễ bị oxy hoá và là các chất có thế năng oxy hoá thấp.
Thế bình thường của hệ thống oxy hoá khử (ví dụ hệ thống Cytochrom Fe2+/Fe3+) được xác định thế năng hình thành với điện cực hydro bình thường khi hai giai đoạn oxy hoá có hoạt tính bằng nhau (Fe2+/Fe3+ = 1). Từ đó cho thấy thế oxy hoá khử E, phụ thuộc vào nồng độ các chất trong hệ thống. Cho nên, tính thế oxy hoá khử theo phương trình Nernt dưới đây :
E = E0 + 
Trong đó : E : thế oxy hoá khử;
E0 : thế bình thường hay thế cơ sở;
R : Hằng số khí (1,98cal/mol theo 0C hay 8,29J/mol theo K);
T : nhiệt độ tuyệt đối theo K;
n : số điện tử hay số dẫn điện;
F : hằng số Faraday (96.500 culomb/mol);
C0 : nồng độ chất oxy hoá;
Ck : nồng độ chất khử.
Người ta đo thế của điện cực platin theo hydro là khi ngâm vào dung dịch pH= 7,0 thì thu được một hiệu số điện thế bằng - 0,420 volt. Nghĩa là điện cực platin trong dung dịch pH = 7,0, tích điện âm so với điện cực hydro bình thường. Sở dĩ như vậy là vì ở pH = 7,0 hoạt động của ion H+ (proton) nhỏ nhất và lúc đó :
H2 2H + + 2e -Có nghĩa là pH = 7,0 thì hoạt động của proton nhỏ hơn ở pH = 0 bảy lần. Cho nên mỗi đơn vị pH có hiệu số điện thế là 0,060 volt. Đó là cơ sở của máy đo pH điện cực. Thế của một hệ thống oxy hoá khử sinh học được đo ở điều kiện pH = 7,0. Bằng cách này, hiện nay người ta đã đo và biết được thế năng của nhiều hệ thống oxy hoá khử trong sinh vật ( bảng 2.1.).
Bảng 2.1. Thế bình thường [E0] của một vài hệ thống oxy hoá khử
sinh học ở pH = 7,0
TT | Hệ thống | E0(volt) | |
1 | Acetat + CO2 | Pyruvat | -0,700 |
2 | a - Cetoglutarat | Succinat +CO2 + 2H++2e- | -0,680 |
3 | Acetat | Acetaldehyt | -0,600 |
4 |  Ferredoxin | Dạng khử | -0,600 |
5 | Isocitrat | a - Cetoglutarat + CO2 | -0,480 |
6 |  Ferredoxin oxy hoá | Ferredoxin khử | -0,432 |
7 |  H2 | 2H+ + 2 e- | -0,420 |
8 | Format | CO2 + H2 | -0,420 |
9 |  Urat | Xanthin | -0,360 |
10 |         Pyruvat | Malat | -0,330 |
11 |  NADH(NADPH) + H+ | NAD+(NADP+) +2H+ + 2e- | -0,320 |
12 | Acid lipoic oxy hoá | Acid lipoic khử | -0,290 |
13 |  Acetoacetat | b -Hydroxybuterat | -0,270 |
14 | Glutathion oxy hoá | Glutathion khử | -0,230 |
15 |  FMNH2(FADH2) | FMN(FAD) + 2H+ + 2e - | -0,219 |
16 | Acetaldehyt | Ethanol | -0,200 |
17 | Pyruvat | Lactat | -0,190 |
18 | Oxalacetat | Malat | -0,170 |
19 | a - Cetoglutarat + NH4+ | Glutamat | -0,140 |
20 | Pyruvat + NH4+ | Alanin | 0,130 |
21 | Enzym vàng (Flavin) | (Fp : Oxy hoá =khử) | -0,120 |
22 | Vitamin K oxy hoá | Vitamin K khử | -0,060 |
23 | Luciferin | Oxyluciferin + 2H+ +2e- | -0,050 |
24 | Ferrocytochrom b | Ferricytochrom b + e - | -0,040 |
25 | Succinat | Fumarat + 2H+ +2e- | -0,015 |
26 | Plastochinon oxy hoá | Plastochinon khử | 0,000 |
27 | Methylen blue oxy hoá | Methylen blue khử | +0,010 |
28 | Fumarat | Malat | +0,030 |
29 | Metmyoglobin | Myoglobin | +0,046 |
30 | Dehydroascorbic | Ascorbic | +0,080 |
31 | Ubichinon oxy hoá | Ubichinon khử | +0,100 |
32 | Cytochrom b2 (Fe3+) | Cytochrom b2 (Fe2+) | +0,120 |
33 | Mathemoglobin | Hemoglobin | +0,170 |
34 | Crotonyl - S.CoA | Buteryl - S.CoA | +0,190 |
35 | Decarboxylase | Carboxylase | +0,190 |
36 | Cytochrom c (Fe3+) | Cytochrom c (Fe2+) | +0,220 |
37 | Cytochrom a (Fe3+) | Cytochrom a (Fe2+) | +0,290 |
38 | O2 | H2O2 | +0,300 |
39 | Hexacyanoferrat (III) | Hexacyanoferrit (II) | +0,360 |
40 |  Chlorophyll P700 (III) | Chlorophyll P700 (II) | +0,400 |
41 | Nitrat | Nitrid | +0,420 |
42 | Coenzym Q dạng ethanol | +0,540 | |
43 | Fe3+ | Fe2+ | +0,770 |
44 | H2O | 1/2 O2 + 2H+ +2e- | +0,815 |
Thế oxy hoá khử là lực khởi động của quá trình oxy hóa khử. Nó chuyển hoá thành năng lượng tự do của phản ứng nhờ mối quan hệ :
- DG0 = DE. n. F
trong đó DG0 : năng lượng tự do ( tính bằng Jun);
DE : hiệu số điện thế (volt);
n : số điện tử hay số dẫn điện.
F : hằng số Faraday (96500 culomb)
Ví dụ, chúng ta có thể oxy hoá khử của một chuỗi kết hợp khí là DE = 1,23volt. Từ đó tính năng lượng tự do của quá trình phản ứng như sau :
H2 + 1/2 O2 ---------> H2O
-DG0 = 1,23 . 2. 96500 = 237390 jun/mol hay
= 237,39 kJ/mol
Nhưng cứ 4,18 jun tương đương với 1 calor, cho nên ta có:
-DG0 = 237390 : 4,18 = 56521 cal/mol= 
56,521 kcal/mol
56,521 kcal/molNhư vậy, phản ứng kết hợp khí là một phản ứng phát nhiệt mạnh, nó hướng về phản ứng phát nhiệt.
2.4. Các phản ứng oxy hóa khử sinh học
2.4.1. Phản ứng tạo thành hydroxyperoxid (H2O2) và superoxidanion (O2-)
Enzym xúc tác tạo thành hydroxyperoxid hoặc superoxidanion, có nhiều trong các bào quan gọi là peroxisom, ngoài ra còn có mặt trong tế bào chất, màng ngoài ty thể, trong lưới nội bào (Reticulum) và trong vách ngăn (Matrix) ty thể.
Ví dụ : Xanthinoxidase của tế bào chất, monoaminooxidase của màng ngoài ty thể và D-aminooxidase của peroxisom. Xanthinoxidase có coenzym là FAD, như vậy nó là flavoprotein, ngoài ra còn có mặt molypden và sắt. Enzym này xúc tác cho phản ứng dưới đây:
+ H2O + O2 + H2O2
Như vậy, enzym này khác với các enzym flavin trong chuỗi hô hấp, nó không phải là thành phần chuỗi hô hấp và không phải là chất tiếp nhận điện tử, mà là enzym flavin oxy hoá trực tiếp bằng oxy.
Monoaminooxidase cũng là enzym flavin tự oxy hoá và có coenzym giống như FAD. Enzym này oxy hoá các amin bậc nhất, bậc hai và bậc ba. Cách tác dụng của enzym là oxy hoá tyramin (đồng nghĩa với sản phẩm decarboxyl hoá axit amin tyrosin) tạo thành hydroxyphenylacetaldehyt :
 |
+ H2O + O2 
+ NH3 + H2O
+ NH3 + H2OD-Aminooxidase oxy hoá các D-axit amin là những axit amin không có ý nghĩa sinh lý, ví dụ các D-axit amin được tạo thành nhờ vi khuẩn trong cơ thể. D-Aminooxidase cũng là enzym xúc tác oxy hoá tự động giống các enzym nói trên, cũng chứa FAD và xúc tác cho phản ứng oxy hoá như D-alanin diễn ra như sau :
CH3 CH3 H C NH3+ + H2O + O2 
C = O +NH4+ + H2O2
C = O +NH4+ + H2O2COO- COO-
D-Alanin Pyruvat
Khi phản ứng của enzym này, từng bước làm xuất hiện hydroxyperoxid theo sơ đồ sau :
+e-
+ H+ H2O2(Hydroxyperoxid)O-2 
HO-2 (Hydroxy- pK’
HO-2 (Hydroxy- pK’ peroxid gốc)
H+ + O-2 (Superoxidanion)
trong đó hai gốc là hydroxyperoxid gốc superoxidanion có vai trò quan trọng hơn cả, chúng là những sản phẩm trung gian đầu tiên xuất hiện chớp nhoáng, còn tạo thành các chất khác, tuỳ thuộc vào các điều kiện thí nghiệm thích hợp.
H2O2 + O2- + HO- + HO- : Xuất hiện nhóm hydroxyl gốc (HO-)
Từ hydroxyperoxid và superoxidanion
Giá trị pK của hydroxyperoxid gốc là 4,9 ; còn ở pH = 7,0 lại thành dạng sản phẩm trung gian có ý nghĩa đối với tạo thành superoxidanion. Do một gốc thì điện tử của nó không cặp đôi mà thành một chất có khả năng phản ứng đặc biệt. Từ đó các gốc có khả năng phản ứng tiếp tục để tạo thành hydroxyperoxid và superoxidanion, xuất hiện từ hydroxyl gốc (HO-) và oxy gốc ( O-O ). Các gốc này có thể xảy ra hàng loạt chuỗi phản ứng phân giải tế bào, dẫn đến peroxid hoá lipid và các chất khác của tế bào. Như vậy, cho thấy rằng trong tế bào phải có cơ chế tác dụng phân giải hydroxyperoxid và superoxidanion. Trong đó hydroxyperoxid bị phân giải bằng catalase, peroxidase và glutathionperoxidase, còn superoxidanion bị biến đổi nhờ superoxiddismutase.
H H H H H H H H C C = C C
C C = C C + O - O O OH H
H H H H H H
C C C C
H O O H
2.4.2. Catalase
Catalase là "Hem-enzym", mỗi phân tử của nó có chứa tới 4 nhóm "Hem". Catalase có trong hầu hết các mô động vật như gan, thận và hồng cầu, peroxisom,...cũng như trong thực vật bậc cao. Còn vi sinh vật chủ yếu là các catalase hiếu khí và hầu như không có catalase kỵ khí.
Catalase ở động vật có khối lượng phân tử 240.000, cấu thành từ 4 dưới đơn vị liên kết với Fe3+ - protoporphyrin IX, trong đó có 0,09% là sắt (4 nguyên tử Fe trên mỗi phân tử enzym). ở 00C và pH = 6,8 thì số trao đổi của catalase phân lập từ gan ngựa là 5 x 106 và KM đối với H2O2 là 6 x 10-7M.
Chúng ta biết hydroxyperoxid (H2O2) là chất rất độc của tế bào, cho nên catalase có tác dụng giải độc bằng cách xúc tác cho phản ứng phân giải H2O2 :
2H2O2 ® 2H2O + O2
Tác dụng của catalase được chia làm hai phần dưới đây :
a.Khi nồng độ H2O2 thấp (10-9 đến 10-7 mol/lít dịch tế bào) và có mặt cơ chất dạng khử (SH2) thì catalase lại có tác dụng theo kiểu peroxidase, cơ chế phản ứng diễn ra như sau :
HO - Fe .....Fe - OH HO - Fe.....Fe - O - OH
: I : + H2O2 ® : II : + H2O (1)
HO - Fe ....Fe -OH HO - Fe ......Fe - OH
Khi phức hợp II xuất hiện thì phản ứng với cơ chất khử (SH2), ví dụ như ethanol theo phản ứng peroxidase như sau :
HO - Fe .....Fe - O - OH HO - Fe.....Fe - OH
: II : + SH2 ® : I : + S + H2O (2)
HO - Fe ....Fe -OH HO - Fe ......Fe - OH
Trong đó dạng gốc của enzym được tạo thành trở lại, nước tách ra và cơ chất bị oxy hoá làm xuất hiện acetaldehyt từ ethanol.
Trong trường hợp này thì catalase tác dụng cạnh tranh với peroxidase. Lúcđó catalase có vai trò quan trọng trong việc oxy hoá carbon C1 và trong hồng cầu nó có tác dụng làm bền vững hemoglobin và glutathion.
b.Khi nồng độ H2O2 cao thì catalase xúc tác theo cơ chế sau: đầu tiên catalase làm biến đổi một phân tử H2O2 :
HO - Fe .....Fe - OH HO - Fe.....Fe -O- OH
: I : +H2O2 ® : II : + H2O (1)
HO - Fe ....Fe -OH HO - Fe ......Fe - OH
Khi nồng độ H2O2 cao thì một phân tử H2O2 thứ hai tham gia vào phản ứng, lúc đó phản ứng xảy ra như sau :
HO - Fe .....Fe - O - OH HO - Fe.....Fe -O- OH
: II : + H2O2 ® : III : + H2O (3)
HO - Fe ....Fe -OH HO - Fe ......Fe -O- OH
sau đó tiếp tục phân ly như sau :
HO - Fe .....Fe - O - OH HO - Fe.....Fe - OH
: III : ® : I : + H2O + O2
HO - Fe ....Fe -O-OH HO - Fe ......Fe - OH
Catalase bị kìm hãm bằng sunfid, cyanid, azd, và fluorid,...
2.4.3. Peroxidase
Người ta đã phát hiện các peroxydase có trong tự nhiên và phân bố trong mọi cơ thể, trước hết chúng có trong thực vật như peroxydase củ cải biển, những có nhiều trong các tế bào và mô động vật.
Dựa vào phân bố, nhóm ngoại và tính chất chuyên hoá với cơ chất mà người ta phân chia peroxydase thành các nhóm riêng :
-Peroxydase thực vật có nhóm ngoại là protohemin (Fe3+ - protoporphyrin là hemin màu đỏ).
-Peroxydase động vật ( thường có dạng tiền peroxydase ) có hemin màu xanh lá cây.
Một trong những peroxydase động vật được nghiên cứu nhiều là peroxydase lợn biển. Wilsteter là người đầu tiên phân lập và tinh sạch được enzym này, tiếp đó Theorell đã kết tính được enzym nhờ sử dụng hỗn hợp aceton -HCl làm tách nhóm ngoại ra khỏi protein mà không bị biến tính, sau đó người ta có thể cho protein - enzym tái hợp với nhóm ngoại khác mà có cấu tạo tương tự nhóm ngoại ban đầu thì tạo ra một peroxydase nhân tạo.
Ngoài peroxydase nói trên, người ta còn thấy có các peroxydase khác như cytochrom c-peroxydase nấm men, lactoperoxydase trong tuyến sữa và tuyến nước bọt, cũng như tiền peroxydase bạch cầu và myeloperoxydase trong các hạt vi bào thần kinh ngoại biên. Bên cạnh đó, còn có các enzym tương tự như catalase - pseudoperoxydase (hemoglobin, myoglobin và các dẫn xuất của chúng), chúng đều bền vững với nhiệt độ. Cơ chế phản ứng của chúng phù hợp với cơ chế tác dụng peroxydase và catalase ở trên.
Qua những điều mô tả trên cho thấy phản ứng catalase và peroxydase khác nhau là chất nhận phức hợp II. Khi nồng độ H2O2 cao thì phản ứng xảy ra theo cơ chế catalase, còn nồng độ H2O2 thấp và có mặt cơ chất tồn tại dưới dạng khử (SH2) là phản ứng của peroxydase.
Các peroxydase xúc tác cho quá trình oxy hoá cơ chất với sự tham gia của H2O2 :
SH2 + H2O2 S + 2H2Ovà bị kìm hãm bằng các chất sunfid, cyanid, azd, và fluorid,...
2.4.4.Glutathionperoxydase
Glutathionperoxydase là một enzym chứa selen, có khối lượng phân tử 76.000.Nó có khả năng làm biến đổi peroxyhydroxid, peroxid của axit béo và các peroxid hữu cơ khác theo phản ứng sau :
NADP+ 2G.SH H2O2 hay ROOHGlutathionreductase Glutathionperoxydase
NADPH + H+ G-S-S-G 2H2O hay ROH + H2O
Khi xảy ra phản ứng cần hai phân tử glutathion khử (G.SH) tham gia và sau đó tạo thành dạng oxy hoá (G-S-S-G). Enzym xúc tác cho phản ứng này có hoạt động cao ở gan và hồng cầu, nhưng còn có trong phổi, cơ tim và cơ xương. Người ta còn thấy có trong tế bào chất và lưới nội chất ty thể. Nó là ea duy nhất có thể phân giải được peroxid hữu cơ có tính độc. Trong tế bào, glutathion oxy hoá xuất hiện bị khử trở lại thành G.SH nhờ glutathionreductase phụ thuộc NADPH.
2.4.5.Superoxiddismutase
Superoxiddismutase phân giải superoxidanion (superoxid gốc) theo phản ứng sau :
2O-2 + 2H+ ® H2O2 + O2
Enzym có trong tế bào chất và lưới nội chất ty thể của các mô khác nhau. Superoxiddismutase tế bào chất là một enzym chứa đồng và giống với nhiều protein chứa đồng đã biết từ lâu như erythrocuprein, hepatocuprein và cerebrocuprein. Ngược lại, superoxiddismutase ty thể là một enzym chứa mangan.
Enzym có chức năng bảo vệ quan trọng trong việc chống oxy hoá superoxidanion. H2O2 xuất hiện nhờ superoxiddismutase bị biến đổi tiếp tục bằng catalase, peroxydase hay glutathionperoxydase.
Tóm lại, có thể nói hàm lượng H2O2 nội bào và superoxidanion thấp là nhờ tác dụng của catalase, peroxydase, glutathionperoxydase và superoxiddismutase, như vậy nhờ các chuỗi phản ứng phân giải bằng các gốc hoạt động tác dụng dẫn đến hạn chế tạo thành các chất độc hữu cơ như peroxid của axit béo và các peroxid hữu cơ khác xuống mức tối thiểu. Enzym này có chức năng bảo vệ quan trọng bên trong tế bào. Mặt khác trong phagocytose thì H2O2 tồn tại lâu hơn. Các phản ứng trao đổi trong đoạn này đã mô tả tóm tắt ở
2.4.6.Oxygenase và hydroxylase
Người ta cho rằng oxygenase là enzym làm nhiệm vụ gắn oxy phân tử vào các liên kết hữu cơ. Chúng có vai trò không thể thiếu trong trao đổi các cơ chất nhân thơm để sinh tổng hợp các steroid, prostaglandin và vitamin D, cũng như trong trao đổi axit béo và các quá trình loại độc. Người ta phân chia oxygenase thành dioxygenase và monooxygenase, trong đó monooxygenase còn gọi là hydroxylase hay oxidase có chức năng hỗn hợp.
2.4.6.1.Dioxygenase
Các dioxygenase xúc tác gắn hai nguyên tử oxy vào cơ chất. Ví dụ các catechin-1,2-dioxygenase và tryptophan - 2,3-dioxygenase là các dioxygenase :
 |
+ O2 
Catechol Muconic
 |
+ O2 
L-Tryptophan L-Formylkynurenin
Lipooxygenase có tác dụng tạo thành hydroxyperoxid của axit béo và tham gia tổng hợp prostaglandin, còn cyclooxygenase xúc tác phản ứng tương tự của lipooxygenase mà sản phẩm của nó là endoperoxid.
2.4.6.2.Monooxygenase (Hydroxylase)
Monooxygenase có đặc trưng là chỉ vận chuyển một nguyên tử oxy từ oxy phân tử đến cơ chất, nguyên tử oxy còn lại để tạo thành nước.
Sau giai đoạn trên, từng bước cơ chất bị hydroxyl hoá cần hay không cần cơ chất đi kèm (ligand). Người ta chia các monooxygenase nội và ngoại bào. Một dạng cơ chất hydroxyl hoá thì đồng thời cũng là cơ chất đi kèm đối với monooxygenase nội bào. Ví dụ các monooxygenase nội bào là lactat - 2- mono-oxygenase và lysinoxygenase vi khuẩn. Lactat-2- monooxygenase xúc tác tạo thành acetat, CO2 và nước từ lactat và oxy.
H2O2
FMN FMNH2
CH3-CHOH-COO- CH3-CO-COO- + O2 CH3COO-+ CO2+H2O
Các monooxygenase ngoại bào cần cơ chất đi kèm mà chủ yếu được thuỷ phân thành cơ chất. Ví dụ phức hợp phenylalanin - 4- hydroxylase có cơ chất đi kèm là tetrahydro-biopterin có chức năng vận chuyển hydro.
2.4.7.Cytochrom P450
Cytochrom P450 là một hydroxylase, thuộc vào nhóm các monooxygenase ngoại bào. Tên của enzym dựa trên cơ sở la dạng khử tạo thành phức hợp với carbonmonoxid (CO) hấp thụ bước sóng 450nm (peak =P). Enzym này có trong lưới nội chất của gan, nhưng cũng thấy có trong một vài mô như tuyến giáp, ty thể,...
Cytochrom P450 xúc tác thuỷ phân steroid, axit béo (vào vị trí tận cùng w) và nhiều dược phẩm như barbiturat,...Ví dụ nó hydroxyl hoá 11b-steroid của 11-desoxycorticosteron bằng enzym, đó là bước quan trọng trong sinh tổng hợp hormon strroid.
 |
Phản ứng xúc tác bằng cytochrom P450 là một phức hợp tồn tại trong thiên nhiên. Quan trọng bậc nhất là cytochrom P450 có quan hệ chặt chẽ với enzym flavin, tác dụng khử của chúng có ảnh hưởng đến cytochrom P450, NADPH hay NADH là những chất cho điện tử. Ferredoxin tham gia vào vận chuyển điện tử, có tên là oxidase có chức năng kết hợp.
Các phản ứng enzym, trải qua một chu trình phản ứng, có thể mô tả như sau :
Chu trình phản ứng bắt đầu là khử Fe3+ của cytochrom P450 thành Fe2+ (vận chuyển điện tử đầu tiên bằng hệ thống khử). Dạng Fe2+ của cytochrom P450 (dạng khử) liên kết với oxy phân tử và chuyển thành dạng Fe3+ (dạng oxy hoá). Sau đó điện tử thứ hai tiếp nhận và sắt bị khử lại.
Cơ chất đã hydroxyl hoá tham gia vào phản ứng xảy ra ở bước khử đầu tiên (hình 2.3. trái). Sau bước khử thứ hai bị hydroxyl hoá như trong sơ đồ đã dẫn và sau đó tách sản phẩm hydroxyl hoá từ enzym, trong đó dạng oxy hoá của cytochrom P450 được tái tạo trở lại và tham gia tạưc hiện chu trình phản ứng mới.
Điều đáng quan tâm là cytochrom P450 trong lưới nội chất của gan có nhiều dạng với tính chuyên hoá cơ chất khác nhau, do đó cơ thể có thể trừ khử được các cơ chất khác nhau. Ví dụ khử babaiturat hay 3-methylcholantheren với tốc độ cao và các chất này bị thuỷ phân nhanh chóng.
Ngược lại, một vài dược phẩm có khả năng làm mất hoạt động và ngừng hoạt động của cytochrom P450 nhanh chóng ở ngay nồng độ thấp. Dạng cảm ứng bằng 3-methycholantheren của enzym làm biến đổi hợp chất này bằng phản ứng hydroxyl hoá thành một chất là tác nhân gây ung thư.
2.5. Phát quang sinh học (Luminescence)
Phát quang sinh học là hiện tượng phát ánh sáng của sinh vật. Nó là hiện tượng khá phổ biến trong các động vật (giun chỉ hồng, cua cá,...), các thực vật (vi nấm Soprophic), và vi khuẩn.
Nó là một dạng ánh sáng đặc biệt phát ra trong quá trình trao đổi chất ở sinh vật trong đó phải kể đến quá trình oxy hoá sinh học chất khử luciferin bằng oxy phân tử. Quá trình này có thể tóm tắt như sau :
Luciferin + O2 
ánh sáng
ánh sáng Bản chất của hiện tượng này là luciferin bị oxy hoá ở trạng thái kích thích mạnh do đó đã phát sáng. Phản ứng này xảy ra ở nhiều cơ chất khác nhau nhờ enzym xúc tác là luciferase. Người ta thấy rằng trong các cơ thể khác nhau phát sáng khác nhau do các hệ thống luciferin - luciferase riêng biệt của chúng.
Đặc biệt phát sáng diễn ra mạnh mẽ trong quá trình hiếu khí có áp suất oxy riêng phần thấp. Rong một số trường hợp ngoại lệ thấy ở một vài loài Phiến lược (Ctenophoren) và Radiolarien,...thì phát sáng lại không cần cả oxy.
Cơ chế phát sáng cho đến nay mới chỉ nghiên cứu nhiều trên các đối tượng giun chỉ hồng và vi khuẩn phát sáng. Người ta đã kết tinh được luciferin và luciferase từ giun chỉ hồng. Luciferin là một hợp chất liên kết giữa 2-cyano-6-hydroxybenzythiazol với cystein. Dạng hoạt động của luciferin là D(-)- luciferin có chứa D(-)-cystein, có cấu tạo như bảng 2.2.
Bảng 2.2. Các hệ thống phát sáng sinh học (theo Mc.Elroy)
Đối tượng | Hệ thống phát sáng | Bước sóng phát sáng |
Vi khuẩn | FMNH2 +RCHO + O2 + E | 495nm |
Giun chỉ hồng | LH2 + ATP +Mg2+ + E | 562nm |
Nguyên sinh ĐV | LH2 + E + O2 | 470nm |
Vi nấm | NADH + H+ + X + O2 + E | 530nm |
Hiện tượng phát sáng, khi đưa ATP và Mg+2 vào hỗn hợp luciferin - luciferase là do phản ứng sau :
E + LH2 + ATP E.LH2AMP + P ~P
(Hoạt động )
E.LH2.AMP + O2 E.L.AMP + H2O
(Kích thích cao)
Chất trung gian là liên kết enzym luciferyl-adenylat. Coenzym A làm tăng cường khả năng phát sáng, vì phức hợp kìm hãm quá trình phát sáng ở đây là E.L.AMP. Phức hợp này bị coenzym A phá huỷ băng cách sau :
E.L.AMP + CoA.SH -------------> E + L-CoA + AMP
Sau đó liên kết dehydrolucifein - CoA có thể phản ứng với cystein hay glutathion để tham gia vào phản ứng từ đầu quá trình.
Người ta cho rằng cứ mỗi lần phân tử luciferin được biến đổi trở lại thì lại phát ra một lượng ánh sáng nhất định. Dựa vào tính chất chuyên hoá cao của hệ thống phức hợp enzym đối với ATP mà người ta có thể dùng quang kế điện cực nhạy để đo tia sáng phát ra. Đó là cơ sở quan trọng của phương pháp xác định ATP.
Vi khuẩn, nhất là “Vi khuẩn luciferin” rất cần FMN ở dạng khử để phát sáng. Về phương diện hoá học, người ta thấy luciferin là một aldehyt chuỗi dài rất giống palmital. Như vậy không chỉ FMNH2 mà còn cả aldehuyt cũng rất cần đối với quá trình phát sáng ở vi khuẩn. Điều đó có thể mô tả như sau :
ánh sáng
O2
Palmital
Luciferase
NADH(NADPH) + H+ ®FMN(FAD) ® Fe3+® Cytochrom ®O2
¯
Nitrat-Reductase
¯
NO3-
Quá trình phát sáng này ở vi khuẩn đã được Boyle phát hiện từ 1967 và cho là một quá trình hiếu khí. Như vậy, thực chất luciferase của vi khuẩn là một dạng đặc biệt của flavin - oxidase.
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét