Giáo trình Hóa sinh đai cương

PGS.TS. NGUYỄN THỊ HOA (Chủ biên)

TS. BÙI THỊ THU HƯƠNG, ThS. LÊ THỊ MINH HIÊN. BS. PHẠM THỊ THÙY

(Tham gia biên soạn)

PG S.TS N G U Y Ê N T H Ị H O A (Chú biên)

TS. B Ìl| THỊ THU H Ư Ơ N G , T hS. LÊ THỊ M INH HIÊN,

BS. PHẠM TH Ị T H Ủ Y (T ham gia biên soạn)

GIÁO TRÌNH

HÓA SINH ĐẠI CƯƠNG

NHÀ XLÁT BẢN ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

NĂM 2018

MÃ SỎ: ° 2 ' 23?

ĐHTN-2018

2

MỤC LỤC

Trang

Lòi nói đầu 4

Bài 1: Hóa học Protein 5

Bài 2: Enzym 25

Bài 3: Năng lượng sinh học 50

Bài 4: Chuyển hóa Protein 69

Bài 5: Hóa học và chuyền hóa Glucid 91

Bài 6: Hóa học và chuyền hóa Lipid 128

Bài 7: Chuyển hóa nước và các chất vô cơ 155

Bài 8: Hóa sinh các dịch cơ thề 176

Tài liệu tham kháo 191

3

LỜI NÓI ĐÀU

Hóa sinh đại cương là môn học nghiên cứu về cơ sớ phân tứ cùa sự sống, nghỉa

là nghiên cứu về cấu tạo các chất cũng như chuyển hóa các chất trong cơ thế sống.

Mục tiêu của học phần hóa sinh đối với sinh viên y khoa là cung cấp cho sinh

viên những kiến thức cơ bản về cấu tạo và chuyển hóa các chất, nồng độ các chất đó

trong cơ thể, cơ chế tạo thành cùng quá trinh vận chuyển, thoái hóa các chất, sự trao

đối năng lượng đề duy tri sự sống. Hóa sinh đại cương giúp sinh viên phân tích được

sự thay đổi, cơ chế của sự thay đổi các chất và lựa chọn được các xét nghiệm hóa sinh

cơ bản trong một số bệnh lý thường gặp.

Giáo trinh “Hóa sinh đại cương” sử dựng cho sinh viên y khoa. Giáo trinh được biên

soạn dựa trên sự lồng ghép, tích hợp với một số môn thuộc khoa học cơ bản, y học cơ sờ

và y học lâm sàng theo dự án “Đồi mới chương trinh đào tạo bác sĩ đa khoa” năm 2017

cúa Bộ Y tế. Nội dung giáo trình gồm 3 phần:

- Hóa sinh tĩnh gồm cấu tạo, tính chất và vai trò của các chất cấu tạo nên cơ thế

sống như glucid, lipid, protein, vitamin cũng như cấu trúc và chức năng cúa enzym và

những khái niệm cơ bán về năng lượng sinh học.

- Hóa sinh động gồm chuyển hóa của các chất như chuyền hóa glucid,

lipid, protein.

- Hóa sính mô và cơ quan bao gồm sự chuyến hóa các chất xảy ra ở các mô và cơ

quan như chuyển hóa nước và các chất vô cơ, hóa sinh các dịch cơ thể.

Đây là lần biên soạn đầu tiên, mặc dù rất cố gắng song không thể tránh khỏi

những thiếu sót. Chúng tôi mong nhận được sự càm thông và những ý kiến đóng góp

quý báu của Quý bạn đọc đề lần biên soạn sau, nội dung tài liệu được phong phú và

hoàn chình hơn.

Trân trọng cảm ơn!

Thay mặt các tác giả

PGS.TS Nguyễn Thị Hoa

4

Bài I

HÓA HỌC PROTEIN

Lẽ Thị Minh Hiển

MỤC TIÊU:

Sau khi học xong bài này, sinh viên có kha năng:

/. Trình bày được vai trò cua acid amìn và một sổ peptid quan trọng trong V học.

2. ứ ng dting được mội số tinh chai cua protein vào trongy học.

3. Trình bày được vai trò cua nucleoliJ với cơ thê.

4. Trình bày được linh chaI cua hemoglobin và ứng dựng trong lâm sàng.

NỘI DUNG

Protein là những phân tứ lớn nhất trong tế bào sống. Protein có mặt ở tất cá mọi

tế bào và các phần của te bào. Trong một tế bào cũng có hàng ngàn loại protein, chiếm

khoáng 50% trọng lượng khô cùa tế bào. Protein đóng vai trò cơ bàn trong sự hình

thành, duy tri cấu trúc và chức năng cùa cơ the song. Protein qui định tinh đặc thù cùa

tế bào, đặc thù cá thể cũng như dặc thù về loài. Protein được cấu tạo từ 20 acid amin.

Các aciđ amin liên kết với nhau bằng liên kết peptid. Trọng lượng phân từ cùa chúng

từ 6000 đvC đến 1.000.000 đvC hoặc lớn hơn nũa.

Ngày nay, người ta ước tính có khoáng 101" đến 1012 protein khác nhau nhưng

chi do 20 acid amin khác nhau tạo thành.

1. Acid amin

1.1. Cấu tạo cùa acid amin

Acid amin là đon vị cấu tạo nên protein, tất cả acid amin đều có trong phân từ

nhóm carboxyl (-COOH) và nhóm amin (-NH-,) cùng liên kết với một nguyên tứ

carbon gọi là carbon a.

Công thức tồng quát của acid amin:

R— CH — COOH

I

NH2

R là gốc hữu cơ, thành phần nguyên 10 cùa gốc R là c, H, o, N, s

Ngoài hai nhóm chức chinh là nhóm carboxyl và nhóm amin. Trong phân từ

protein còn có thể có nhóm hoá chức khác như hydroxyl (-OH) hoặc thiol (-SH).

5

* Dồng phân quang hục của a d d amirt

Trừ glycin còn tất cả các acid amin đều chứa carbon bất đối (C*) trong phân tứ

nên có đồng phân quang học. Tuỳ theo vị trí của nhóm amin (-NH2) đirợc gắn vào bẽn

phải hay bên trái cùa carbon bất đối a mà acid amin thuộc dãy D hoặc L. Trong tự

COOH

H2N - ^ — H

R

L -acidam in

1.2. Phân loại acid amin

Dựa vào cấu tạo gốc R đề phân loại 20 acid amin cấu tạo protein thành 2 nhóm:

- Acid amin mạch thẩng.

- Acid amin mạch vòng.

Trong acid amin mạch thang phân ra thành các dưới nhóm tùy thuộc vào số

lượng nhóm -N H 2 và -COOH mà có acid amin trung tính, acid amin acid và acid amin

kiềm.

A cid am in K í hiệu C ô n g thức

A cid am in tru n g tính

Glycin G l y - G

H -Ọ H -CO O H

n h 2

Alanin Ala - A

C H 3 -9 H -C O O H

NH2

Valin V a l - V

H3C'C H -C H -C O O H

H3c NH2

Valin: Giúp ngăn chặn sự phân hùy cùa cơ bắp bằng

cách cung cấp thêm đường cho các cơ bắp đê sán xuất

năng lượng trong quá trinh hoạt động thề lực. Valine

cũng giúp loại bò nitơ dư thừa độc hại từ gan, và có

khá năng vận chuyển nitơ đến các mô khác trong cơ

nhiên phô biên là acid amin dãy L

COOH

R

D-acidamin

6

thế khi cần thiết. Giúp điều trị bệnh gan và túi mật,

cũng như những tốn hại gây ra bới chúng nghiện rượu

và ma túy, giúp điều trị hoặc thậm chí đáo ngược bệnh

não gan, hoặc tổn thương não liên quan đến rượu. Sự

cân bang lý tưởng cùa 3 acid amin quan trọng trong

chế độ ăn cùa người tập the dục nhiều là 2 :1:1

(leucin:valin:isoleucin).

Nguồn thực phầm chứa valin: Sữa, thịt, ngũ cốc, nấm,

đậu tương và lạc.

Leucin Leu - L

H3C CH-CH2“ CH-COOH

h 3c Í h 2

Leucin: là acid amin duy nhất có khả năng điều hòa sụ

tổng hợp protein của cơ, iàm giảm sự thoái hoái và

tăng sự tống hợp các protein của cơ. Đóng vai trò

quan trọng trong chế độ ăn cùa các vận động viên

trong việc rèn luyện cơ bắp bên cạnh acid amin

isoleucin và valin. Leucin cần nhiều ở gan, mô mỡ và

mô cơ để tổng hợp các sterol, thành phần cấu tạo nên

hormon, giúp duy trì lượng hormon tăng trưởng để

thúc đẩy quá trinh phát triển mô cơ. Nguồn thực phẩm

chứa leucin: Đậu tương, lòng đò trứng, hạnh nhân, cá,

lạc, tôm.

Isoleucin Ile - 1

H3C -H2Cn

CH-ỌH-COOH

3 NH2

Isoleucin: Đóng vai trò sống còn trong quá trình phục

hồi sức khỏe sau thời gian luyện tập thể dục thể thao.

Đồng thời giúp điều tiết lượng đường glucose trong

máu, hỗ trợ quá trinh hình thành hemoglobin và đông

máu.

Nguồn thực phẩm chứa isoleucin: Thịt gà, cá, hạnh

nhân, hạt điều, trứng, gan, đậu lăng và thịt bò.

Serin S e r - S

HO-CHj-ỌH-COOH

nh2

Threonin T h r - T

H;,C' CH- ỢH-COOH

HO NH2

Threonin: Giúp duy trì sự cân bằng protein thích hợp

trong cơ thể. Là chất cần thiết để tạo ra glycin và

serin, hai loại acid amin cần thiết cho việc sản xuất

7

collagen, elastin, và các mô cơ, giúp giữ cho các mô

liên kết và cơ bắp khắp cơ thế khóe mạnh và đàn hồi,

bao gồm cá tim. Nó cũng giúp xuơng và men răng

chắc khoè, có thể tăng tốc độ chữa lành vết thương

hoặc hồi phục sau chấn thương. Threonin còn kết họp

với các acid amin acid aspartic và methion để giúp

gan có chức năng lipotropic (kích thích cơ thể sư dụng

mỡ), hoặc tiêu hóa chất béo và acid béo, nếu không có

đù threonin chất béo có thể tích tv trong gan và cuối

cùng gây suy gan. Ngoài ra, nó giúp hỗ trợ sản xuất

các kháng thế, tăng cường miễn dịch, hữu ích trong

điều trị một số loại bệnh trầm cảm. Nguồn thực phấm

chúa nhiều threonin nhất: thịt, cá, trứng.

Cystein C y s -C

HS-CHị -ỌH-COOH

n h 2

Methionin Met - M

H3C -S -(C H 2)2-ỌH-COOH

n h 2

Methionin: Do có chứa lưu huỳnh, cần thiết cho sán

xuất chất các acid amin (như cystein và taurin) và

glutathion - là chống oxy hóa tự nhiên giúp trung hòa

các độc tố trong gan. Methionin còn là một lipoừopic

(kích thích cơ thể sử dụng mỡ) giúp ngăn chặn sự tích

tụ mỡ trong gan. Là chất cần thiết để tạo creatine,

cung cấp năng lượng cho cơ bắp để tăng hiệu suất thể

thao trong thời gian ngắn, tập cường độ cao, hỗ trợ

hoạt động bình thường của tim và hệ tuần hoàn.

Methionin còn ẸÍúp cho sự hình thành cùa collagen

được sử dụng đề tạo thành da, móng, mô liên kết, và

giúp giảm mức độ dị ứng viêm ưong cơ thể. Thịt, cá,

đậu đỗ tươi, trứng, đậu lăng, hành, sữa chua, các loại

hạt là những thực phẩm chứa menthionin.

Acid amin Kí hiệu Công thức

Acid amin acid

Aspartic acid Asp - D

h oo c- ch2- ọh- cooh

n h 2

Asparagin Asn - N

h2n - ọ - c h 2- ọ h - c o o h

ỏ nh2

Glutamic acid Glu E HOOC-CH2- CH2 - ỌH-COOH

nh2

Glutamin G ln -Q

h2n - c - c h 2- c h 2- ọ h - c o o h

Ỗ n h 2

Acid amin kiềm

Arginin A rg -R

h n - c h 2- c h 2- c h 2- c h - c o o h

9- NH N H2

nh2

Lysin Lys - K

H2N-(CH2)4-ỌH-COOH

nh2

Lysin: Là một thành phần quan trọng của tất cả các

protein trong cơ thể. Lysin đóng vai trò quan trọng

trong việc hấp thu canxi, tạo cơ bắp, phục hồi sau

chấn thương hay sau phẫu thuật; sự tổng họp các

hormon, enzym và các kháng thể. Lysln còn tham gia

cấu tạo camitin chất vận chuyển acid béo vào ty thể

Lysin là một chất đối vận cùa serotonin ở ống tiêu

hóa, có tác dụng giái lo âu do làm giảm tác dụng của

các thụ thể serotonin. Lysin có trong phô mai, khoai

tây, sữa, trứng, thịt đò, các sán phẩm men.

Acid amin nhân thom

Phenylalanin P h e -F

( V - C H 2- 9H-COOH

w nh2

Phenylalanin: Là một acid amin có tính giảm đau và

chống trầm càm. Phenylalanin có trong sữa, hạnh

nhân, bơ, lạc, các hạt vừng. Nếu tăng phenylalanin

trong máu ờ ừẻ nhỏ cần chú ý đến bệnh thuộc nhóm

bệnh di truyền (Bệnh phenylketon niệu)

Tyrosin T y r-Y h o ^ ^ V c h 2- 9h -c o o h

x = / NH2

Acid amin dị vòng

Histidin H is -H

___1 -CHg-ỌH-COOH

HNk^N: NH2

Histidin: Là thành phần quan trọng cùa lóp vò myelin

cùa tế bào thẩn kinh, đám bào việc truyền tải các

9

thông tin từ não đến các bộ phận khác nhau cùa cơ

the. Có the hữu ích cho việc điều trị các rối loạn tâm

thần cũng như một số loại rối loạn chức năng tình dục

bởi vỉ nó được chuyển đổi thành histamin, một chất

hóa học cần thiết để kích thích hưng phấn tình dục đặc

biệt khi dùng cùng với vitamin B3 và vitamin B6.

Mức histidin trong cơ thể phải được cân đối vì nếu

cao quá sẽ gây các rối loạn tâm lý như lo âu và tâm

thần phân liệt, trong khi mức độ thấp của histidin sẽ

gây ra bệnh viêm khớp dạng thấp và các loại điếc mà

kết quả từ tồn thương thần kinh. Histidin rất quan

trọng cho việc sản xuất tế bào máu (hồng cầu và bạch

cầu). Giúp cơ thể phát triển và liên kết mô liên kết cơ

bắp với nhau.

Thực phẩm giàu histidin như thịt và các sản phẩm

sữa, ngũ cốc, gạo, lúa mi, lúa mạch đen.

Tryptophan Trp - w

-----j-CHj-CH-COOH

I ^ Ấ NJ nh2

H

T ryptophan: CÓ hai chức năng quan trọng, một là

đuợc gan chuyển hóa thành niacin (vitamin B3), hai là

cung cấp tiền chất của serotonin, một chất dẫn truyền

thần kinh giúp cơ thể điều hòa giấc ngủ và tâm trạng,

làm giảm cảm giác thèm ăn, hỗ trợ giảm cân cho

người béo phì.

Các thực phẩm giàu chất tryptophan là chuối, đậu

phộng, hạt sen, gạo, thịt gà tây, bí đỏ (bi đò chứa một

lượng tryptophan rất dồi dào).

Prolin Pro - p C O O H

H ' H

1.3. Tính chất cùa acid amin

1.3.1. Tính chất lý học

Độ hoà tan:

- Đa số hòa tan trong nước. ít tan trong alcol, không tan trong ete, acid amin tan

trong alcol và ete như prolin và hydroxyprolin.

- Các acid amin khác nhau có độ hoà tan khác nhau trong cùng một dung môi.

ứ n g dụng tính chất này để phân tích acid min bằng phương pháp sắc ký trên giấy.

- Một so acid amin ít tan trong dung dịch kiềm và acid loãng.

Ví dụ: prolin.

M ùi vị: + Vị ngọt: alanin, histidin, glutamic, valin, prolin, trytophan.

10

+ Vị đẳng: arginin.

1.3.2. Tinh chất hoá học

* Khư nhóm carboxyl: acid atnin khứ nhóm carboxyl tạo thành amin tương ứng.

a

R— C H — COOH -----------------► R — CH2— NH, + C 0 2

NH2

Acid amin Amin tương úng

Ví dụ: histidin -----► histamin. Histamin gây hạ huyết áp và dị ứng.

Glutamic -----► GABA (yaminobutync acid, là chat ức chế dẫn truyền xung động

thần kinh).

*Khư nhỏm amin:

- Trong cơ thế acid amin khứ nhóm amin bang cách oxy hóa tạo acid a cetonic

a

R— CH— COOH ------------------► R — C O — COOH + NH3

NH2

A c id amin A cìd a cetonic

Ngoài cơ thể cho tác dụng với HNO2 tạo acid alcol tương ứng

a ____ ____ L

R— CH— COOH ----------------*- R— C H — COOH + N2 t + H20

NH2 OH

Acid amin Acid alcol

ứ ng dụng: định luợng nitơ của acid amin băng phương pháp Vanslyke.

* Tạo base shiff:

a

R— CH— COOH + OHC-R' --------------- *- R — CH — COOH + H20

NH2 n = c h - r '

Acid amin Acid alcol

ứ n g dụng: định lượng acid amin bằng phương pháp Sorensen.

* Phán ứng lạo phức hợp với muối kim loại:

Các acid amin có thề kết họp với muối kim loại nặng như: Cu 2, Hg \ Mn 2, Pb

11

h 2

ứ ng dụng: định lượng acid amin, độ chính xác khác nhau tùy acid amin.

*Phàn ứng ninhydrin:

Acid amin tác dụng với ninhydrin tạo thành ninhydrin dạng khù Ninhydrin dạng

khừ kết họp với ninhydrin dạng oxy hóa và NH3 tạo phức hợp màu xanh tím.

c á0

OH

OH

N inhydrin

ứ ng dụng: hiện màu acid amin trên giấy sẳc ký

1.4. Tính chát luững tính của acid amin

1.4.1. Tinh chất lưỡng tính

Acid amin có tinh chất lưỡng tính vi trong phân tứ có 1 nhóm chức acid

(-COOH) và một nhóm chức base (-NH2). Vì vậy acid amin trong các môi trường khác

nhau acid amin sẽ hoạt động khác nhau.

Trong cơ thể các acid amin tồn tại dưới dạng ion lưỡng cực.

Trong môi trường acid (H ): acid amin tác dụng như một base và tồn tại dưới

dạng ion (+), khi có dòng điện chạy qua chúng di chuyển về âm cực.

Trong môi trường kiềm (OH'): acid amin tác dụng như một acid và tồn tại dưới

dạng ion (-), khi có dòng điện chạy qua chúng di chuyển về dương cực.

NH2 + NH3 + NH3

OH

Anion lon lirõ'ng cực Cation

I OH' I H'

-ỌH ^ R-----ỘH „ R-----ỌH ỉ I 1

¿ 0 0 ■ h 2° c o o c o o h

Điêm đăng điện cua a a d amin (pHi): pHi cùa acid amin là pH cua môi trường

mà ớ đó đối với mỗi acid amin tồn tại duới dạng ion lưỡng tính nhiều nhất Còn hai

dạng ion (+) và ion (-) là ít nhất và bang nhau Mỗi acid amin có pHi tương ứng:

Úng dựng: phân tách acid amin bằng phương pháp điện di

2. Peptid

2.1. cáu tạo và tính chất của peptid

2.1.1. ( au lạo

Peptid là hợp chất tự nhiên hay tổng hợp có trong phân tư tù hai hay nhiều acid

amin. Các acid amin được liên kết với nhau bang liên kết peptid (-CO-HN) thuộc loại

liên kết đồng hóa trị

Số Hên kết peptid số acid amin -1

2.1.2. Tính chắt cùa peplid

Tính chất hoá học, tính chất lưỡng tính, tính chất hoá lí giống protein.

2.2. M ột số peptid quan trọng

2.2.1. Glutalhion: là một tripeptid, là chất chống oxy hóa không có bản chất enzym.

- Nguồn gốc: gan, thận, phổi, tim, hồng cầu.

- Cấu tạo: gồm 3 acid amin là glutamic, giycin và cystein

Ví dụ: glycin: 5,7 aspactic: 2,77

cystein: 5,05 glutamic: 3,22

alanin: 6,00

arginin: 10,76

Hình 1.1. Liên kết peptid

1 H R2

I I H3N1— CH — c — OH + H — N— CH2— c o o

O

h 2o - ^ ^ h 2o

'O o~

glutam ate cysteine

glycine

13

- Vai trò:

+ Glutathion là chất chống oxy hóa mạnh, trung hòa gốc tự do cua cơ thề qua

quá trinh cho nhận hydro thuận nghịch.

+ Glutathion tăng cường hệ miễn dịch cùa cơ thể đế cơ thế mạnh mẽ hơn trong

việc tning hòa các chất gốc tự do có hại và chống lại bệnh lây nhiễm, nhiễm vi trùng,

virus, ung thư

Glutathion giài độc cơ thể thông qua gan nhờ gan kết với các độc chất trong

gan, chuyến hóa chúng và đào thài ra ngoài. Người ta nhận thấy GSH có lợi trong các

trường hợp ngộ độc thuốc: paracetamol, phosphor hữu cơ, ngộ độc kim loại, kể cả

những trường hợp đang điều trị ung thư bang hóa trị, xạ trị...

2.2.2. Ocytocin: polypeptid (9 acid amin).

- Nguồn gốc: thùy sau tuyến yên

- Cấu tạo: gồm 9 acid amin một câu disulfur ớ vị ưí so 1 và số 6. Vị tri số 3 là

isoleucin và vị tri số 8 là leucin. Vai trò: tăng co bóp cơ cổ tứ cung.

2.2.3. Vasopessin fAntidiuretic hormon - ADH)

- Nguồn gốc: thuỳ sau tuyến yên

- Cấu tạo. 9 acid amin. Một cầu disulfur ờ vị tri số 1 VỚI vị trí số 6. VỊ tri số 3 là

phenylalanin và vị trí số 8 là arginin.

- Vai ữò: tăng huyết áp, tăng tái hấp thu nước ờ ống thận. Neu ADH giàm sẽ gây

ra bệnh đái nhạt.

2.2.4. Insulin

- Nguồn gốc: tuyến tụy được tồng hợp ở tế bào beta cùa tiếu đáo Langerhans ờ

dạng preproinsulin (11.500 Da). Các enzym trong ty lạp thể sè chuyển

preproinsulin thành proinsulin (9000 Da). Các proinsulin được dự trữ trong các

hạt cùa bộ Golgi, khi các hạt chín sẽ tách một phân tử Insulin và một phân từ

Peptid c . Hai phân tú này được sán xuất với mức độ ngang nhau về tý số phân tử

và đồ vào tuần hoàn cừa

- Công thức hóa học: C257Hi83N65077S(,

- Trọng lượng phân từ: 5808 Da

14