Giáo trình Hóa sinh

Nội dung text: Giáo trình Hóa sinh

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÂY ĐÔ GIÁO TRÌNH HÓA SINH (Dùng cho sinh viên Cao đẳng Dược) Chủ biên: ThS. Huỳnh Ngọc Trung Dung DS. Nguyễn Thanh Huy Năm 2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÂY ĐÔ GIÁO TRÌNH HÓA SINH (Dùng cho sinh viên Cao đẳng Dược) Chủ biên: ThS. Huỳnh Ngọc Trung Dung DS. Nguyễn Thanh Huy Năm 2016
3. LỜI MỞ ĐẦU Hóa sinh học là khoa học nghiên cứu thành phần hóa học, cấu trúc và tính chất các hợp phần của tế bào, nghiên cứu quá trình trao đổi chất và năng lượng trong cơ thể sinh vật, hay nói khác là khoa học nghiên cứu cơ sở hóa học của sự sống. Với mục tiêu cung cấp cho sinh viên kiến thức ở mức độ cơ chế phân tử của các quá trình sống: cấu tạo hóa học và tính chất của các sinh chất cùng các con đường chuyển hóa các chất này trong cơ thể sống như: cơ chế xúc tác của enzym; sự hô hấp mô bào; các nguồn cung cấp và dự trữ, các con đường chuyển hóa năng lượng; các giai đoạn trung gian trong sự thoái hóa và tổng hợp các chất glucid, lipid, protein và acid nucleic; sự bảo tồn và truyền đạt thông tin di truyền... Với các kiến thức trên sinh viên dễ dàng tiếp thu và hiểu sâu hơn các môn học cơ sở khác và các môn chuyên ngành có liên quan. Bên cạnh ý nghĩa thực tiễn đó, hóa sinh cũng giúp tạo nên ở người học một thế giới quan khoa học duy vật biện chứng. Vì lần đầu biên soạn, mặc dù đã rất cố gáng nhưng chắc chắn còn nhiều thiếu sót, kinh mong quý thầy cô, bạn đồng nghiệp đóng góp, xây dựng ý kiến để giáo trình được hoàn thiện hơn. Xin trân trọng cám ơn!
4. MỤC LỤC MỤC LỤC ........................................................................................................................ i Chương 1. ĐẠI CƯƠNG VỀ HÓA SINH HỌC ............................................................. 1 1. ĐỊNH NGHĨA ..................................................................................................... 1 2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU ............................................................................. 1 3. LỊCH SỬ .............................................................................................................. 2 4. NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA CƠ THỂ SỐNG ...................................... 3 5. VAI TRÒ CỦA HOÁ SINH ................................................................................ 3 Chương 2. CÁC CHẤT XÚC TÁC SINH HỌC ............................................................. 5 1. ĐẠI CƯƠNG ....................................................................................................... 5 1.1. Phản ứng hóa sinh ....................................................................................... 5 1.2. Chất xúc tác sinh học ................................................................................... 6 2. VITAMIN ............................................................................................................ 7 2.1. Vitamin tan trong nước................................................................................ 7 2.2. Vitamin tan trong dầu .................................................................................. 9 3. HORMON ......................................................................................................... 10 3.1. Đại cương .................................................................................................. 10 3.2. Các hormon quan trọng ............................................................................. 10 4. ENZYM ............................................................................................................ 12 4.1. Đại cương .................................................................................................. 12 4.2. Cách gọi tên và phân loại enzym ............................................................... 12 4.3. Bản chất hóa học của enzym ..................................................................... 14 4.4. Sự phân bố enzym ..................................................................................... 15 4.5. Liên quan enzym và một số bệnh lý .......................................................... 15 4.6. Ứng dụng enzym trong y học .................................................................... 16 CÂU HỎI LƯỢNG GIÁ ............................................................................................... 17 Chương 3: CHUYỂN HÓA CHUNG CỦA CÁC CHẤT ............................................. 19 1. CHUYỂN HÓA CÁC CHẤT VÀ CHUYỂN HÓA TRUNG GIAN ................. 19 1.1. Khái niệm ............................................................................................... 19 1.2. Đặc điểm của quá trình trao đổi chất ......................................................... 19 1.3. Ý nghĩa ...................................................................................................... 20 2. CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG ..................................................................... 20 2.1. Phản ứng oxy hóa - khử............................................................................. 20 1
5. 2.2. Phosphoryl hóa và khử phosphoryl hóa .................................................... 21 3. SỰ HÔ HẤP TẾ BÀO ....................................................................................... 22 4. CHU TRÌNH KREBS ....................................................................................... 25 CÂU HỎI LƯỢNG GIÁ ............................................................................................... 28 Chương 4. HÓA HỌC VÀ CHUYỂN HÓA GLUCID ................................................. 30 PHẦN 1. HÓA HỌC GLUCID ..................................................................................... 30 1. ĐẠI CƯƠNG ..................................................................................................... 30 1.1. Khái niệm .................................................................................................. 30 1.2. Vai trò ........................................................................................................ 30 1.3. Phân loại .................................................................................................... 30 2. MONOSACCARID ........................................................................................... 31 2.1. Cấu tạo và danh pháp ................................................................................ 31 2.2. Tính chất của monosaccarid ...................................................................... 31 3. OLIGOSACCARID .......................................................................................... 33 4. POLYSACCARID ............................................................................................ 33 PHẦN 2. CHUYỂN HÓA GLUCID ............................................................................. 35 1. TIÊU HÓA, HẤP THU VÀ NHU CẦU ............................................................ 35 2. CHUYỂN HÓA GLUCID Ở TẾ BÀO VÀ MÔ ................................................ 35 2.1. Con đường Hexose Diphosphat (HDP) ..................................................... 35 2.2. Con đường Pentose Monophosphat (Hexose monophotphat – HMP) ...... 37 2.3. Ý nghĩa - Liên quan giữa HDP và HMP ................................................... 38 3. TẠO ACID URONIC ........................................................................................ 38 4. SỰ TỔNG HỢP GLUCOSE .............................................................................. 39 5. SINH TỔNG HỢP GLYCOGEN ...................................................................... 40 5.1. Quá trình tổng hợp glycogen từ glucose ................................................... 40 5.2. Tổng hợp glycogen từ các ose khác ....................................................... 41 6. RỐI LOẠN CHUYỂN HÓA GLUCID ............................................................. 41 6.1. Hệ thống điều hòa đường huyết ................................................................ 41 6.2. Rối loạn chuyển hóa glucid ....................................................................... 42 CÂU HỎI LƯỢNG GIÁ ............................................................................................... 43 Chương 5. HÓA HỌC VÀ CHUYỂN HÓA LIPID ...................................................... 45 PHẦN 1. HÓA HỌC LIPID .......................................................................................... 45 1. ĐẠI CƯƠNG ..................................................................................................... 45 1.1. Phân loại .................................................................................................... 45 1.2. Vai trò của lipid ......................................................................................... 45 2. HÓA HỌC LIPID .............................................................................................. 46 ii
6. 2.1. Acid béo .................................................................................................... 46 2.2. Lipid thuần ................................................................................................ 46 2.3. Lipid tạp .................................................................................................... 47 PHẦN 2. CHUYỂN HÓA LIPID .................................................................................. 48 1. TIÊU HÓA VÀ HẤP THU ................................................................................ 48 2. THOÁI HÓA LIPID .......................................................................................... 48 2.1. Thoái hóa glycegol .................................................................................... 48 2.2. Thoái hóa acid béo bão hòa ....................................................................... 49 2.3. Thoái hóa acid béo không bão hòa ............................................................ 52 3. TỔNG HỢP LIPID ............................................................................................ 52 3.1. Tổng hợp acid béo bão hòa ....................................................................... 52 3.2. Tổng hợp triglycerid .................................................................................. 52 4. CHUYỂN HÓA CHOLESTEROL ................................................................... 53 4.1. Tổng hợp cholesterol ............................................................................. 53 4.2. Sự thoái hóa cholesterol ......................................................................... 54 5. RỐI LOẠN CHUYỂN HÓA LIPID .................................................................. 54 5.1. Điều hòa chuyển hóa lipid ..................................................................... 54 5.2. Rối loạn chuyển hóa lipid: ..................................................................... 54 CÂU HỎI LƯỢNG GIÁ ............................................................................................... 55 Chương 6: HÓA HỌC VÀ CHUYỂN HÓA ACID NUCLEIC .................................... 57 PHẦN 1. HÓA HỌC ACID NUCLEIC ........................................................................ 57 1. ĐẠI CƯƠNG ..................................................................................................... 57 2. THÀNH PHẦN HÓA HỌC ACID NUCLEIC .................................................. 57 3. DNA (DEOXYRIBONUCLEIC ACID) .................................................................... 59 3.1. Cấu trúc DNA ............................................................................................ 59 3.2. Vai trò của DNA .................................................................................... 59 4. RNA (RIBONUCLEIC ACID) ................................................................................ 59 4.1. Cấu trúc RNA ........................................................................................ 59 4.2. Vai trò sinh học của RNA ...................................................................... 60 PHẦN 2. CHUYỂN HÓA NUCLEOTID ..................................................................... 60 1. QUÁ TRÌNH THOÁI HÓA .............................................................................. 60 2. QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP ................................................................................ 63 PHẦN 3. CHUYỂN HÓA ACID NUCLEIC ................................................................ 64 1. THOÁI HÓA ACID NUCLEIC ........................................................................ 64 1.1. Thoái hóa ADN ...................................................................................... 64 1.2. Thoái hóa ARN ...................................................................................... 64 2. TỔNG HỢP ACID NUCLEIC .......................................................................... 64 iii
7. 2.1. Tổng hợp DNA ...................................................................................... 64 2.2. Tổng hợp RNA ...................................................................................... 66 CÂU HỎI LƯỢNG GIÁ ............................................................................................... 66 Chương 7: HÓA HỌC VÀ CHUYỂN HÓA PROTID ................................................. 69 PHẦN 1. HÓA HỌC PROTID ...................................................................................... 69 1. ĐẠI CƯƠNG .................................................................................................... 69 2. ACID AMIN ..................................................................................................... 69 2.1. Cấu tạo ................................................................................................... 69 2.2. Phân loại acid amin ................................................................................ 71 2.3. Tính chất của acid amin............................................................................. 73 3. PEPTID ............................................................................................................. 74 3.1. Định nghĩa ................................................................................................. 74 3.2. Cấu tạo ....................................................................................................... 74 3.3. Cách gọi tên ............................................................................................... 75 3.4. Tính chất hóa học ...................................................................................... 75 3.5. Các peptid thường gặp trong thiên nhiên .................................................. 76 4. PROTEIN .......................................................................................................... 78 4.1. Định nghĩa ................................................................................................. 78 4.2. Phân loại .................................................................................................... 78 4.3. Cấu trúc của protein .................................................................................. 78 4.4. Tính chất của protein ................................................................................. 78 4.5. Chức năng sinh học của Protein ................................................................ 80 4.6. Một số protein thường gặp ........................................................................ 82 PHẦN 2. CHUYỂN HÓA PROTID ............................................................................. 82 1. ĐẠI CƯƠNG .................................................................................................... 82 1.1. Sơ đồ tổng quát ...................................................................................... 82 1.2. Nguồn gốc .............................................................................................. 82 1.3. Tiêu hóa ................................................................................................. 83 2. SỰ THOÁI HÓA ACID AMIN ........................................................................ 84 3. TỔNG HỢP ACID AMIN ................................................................................. 87 4. TỔNG HỢP PROTID ....................................................................................... 88 CÂU HỎI LƯỢNG GIÁ ............................................................................................... 89 Chương 8. HÓA SINH HỆ THỐNG GAN MẬT ......................................................... 91 1. ĐẠI CƯƠNG .................................................................................................... 91 2. THÀNH PHẦN HÓA HỌC .............................................................................. 91 3. CHỨC NĂNG SINH HÓA CỦA GAN............................................................. 91 iv
8. 4. NHỮNG XÉT NGHIỆM SINH HÓA HỆ THỐNG GAN MẬT ....................... 95 4.1. Hội chứng suy giảm chức năng gan....................................................... 95 4.2. Hội chứng tổn thương tế bào gan .......................................................... 96 4.3. Hội chứng tắc mật .................................................................................... 96 CÂU HỎI LƯỢNG GIÁ ............................................................................................... 97 Chương 9: HÓA SINH THẬN VÀ NƯỚC TIỂU ...................................................... 100 1. ĐẠI CƯƠNG .................................................................................................. 100 2. CHỨC NĂNG CỦA THẬN ............................................................................ 100 3. TÍNH CHẤT CHUNG CỦA NƯỚC TIỂU ..................................................... 104 4. THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA NƯỚC TIỂU ............................................. 105 5. CÁC CHẤT BẤT THƯỜNG TRONG NƯỚC TIỂU ..................................... 105 6. THĂM DÒ CHỨC NĂNG THẬN .................................................................. 106 6.1. Protein niệu .............................................................................................. 106 6.2. Urê ........................................................................................................... 107 6.3. Creatinin .................................................................................................. 107 CÂU HỎI LƯỢNG GIÁ ............................................................................................. 107 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 109 Tài liệu tiếng việt ............................................................................................ 109 Tài liệu tiếng nước ngoài ................................................................................ 109 v
9. Chương 1. ĐẠI CƯƠNG VỀ HÓA SINH HỌC Mục tiêu 1. Trình bày được định nghĩa về hóa sinh. 2. Trình bày được hóa sinh tĩnh, hóa sinh động. 3. Trình bày được vai trò hóa sinh trong y dược học. 1. ĐỊNH NGHĨA Hóa sinh là môn học nghiên cứu về thành phần hóa học, cấu tạo, các tính chất vật lý hóa học, chức năng sinh học của các chất trong cơ thể và quá trình chuyển hóa của chúng trong cơ thể sống, là lĩnh vực nghiên cứu các hiện tượng sống bằng phương pháp hóa học. 2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Môn học hóa sinh được hình thành trên cơ sở của sinh học và hoá học. Nó còn liên quan mật thiết với tế bào học vì hầu hết các phản ứng hoá học đều xảy ra ở tế bào. Tế bào là đơn vị hợp thành của cơ thể sống, có những đặc điểm chung; nhưng tế bào của những cơ thể khác nhau, tế bào của từng loại mô trong một cơ thể có sự khác biệt về cấu trúc và chức năng. Chính những sự chuyên biệt của các tế bào và những quá trình tiến hoá tự nhiên đã dẫn đến sự khác biệt đa dạng và tạo nên những quá trình hoá sinh đặc hiệu. Sự sống là hiện tượng trao đổi chất liên tục, hiện tượng này liên quan mật thiết với các quá trình chuyển hoá vật chất. Những quá trình này được điều chỉnh nhịp nhàng ăn khớp với nhau, bảo đảm cho nội môi của cơ thể luôn ở trạng thái động, nhưng cũng luôn ở thể ổn định. Hoá sinh học gồm 2 phần: Hoá sinh tĩnh - Hoá sinh động. Hóa sinh tĩnh: Nghiên cứu các chất cấu tạo có trong thành phần của cơ thể sinh vật ở mức độ phân tử, nguyên tử dựa vào các phương pháp hóa, lý hiện đại. Hóa sinh tĩnh gắn liền rất mật thiết với hoá hữu cơ. Đây chính là hóa sinh mô tả. Hóa sinh động: Nghiên cứu các quá trình chuyển hoá, số phận của các chất khi vào cơ thể, tính đặc hiệu của những phản ứng sinh học như phản ứng giữa enzym và cơ chất, giữa hormon và các chất tiếp nhận, nghiên cứu về mặt hoá học của sự trao đổi chất trong mối liên quan với toàn bộ cơ thể và môi trường xung quanh. Hóa sinh tĩnh và động liên quan với nhau rất chặt chẽ - việc nghiên cứu các quá trình hóa sinh học sẽ vô nghĩa nếu không có sự nghiên cứu các chất tham gia trong các quá trình này. 1
10. 3. LỊCH SỬ 3.1. Trước thế kỷ XX Gắn liền với những thành tựu của các lĩnh vực nghiên cứu hóa hữu cơ, sinh lý học, y học, và một số ngành khoa học khác, các nghiên cứu hóa sinh đã bắt đầu từ thế kỷ XVIII. Hàng loạt các hợp chất hữu cơ đã được tách ra từ thực vật và từ các tổ chức động vật: acid citric, acid malic, acid tatric, acid oxalic, urea và các alkaloid. Năm 1974, Lavoisier đã giải thích được cơ chế hoá học của sự hô hấp và sự cháy. Tiếp theo các công trình chiết xuất, tinh chế và phân tích các chất hữu cơ là những công trình nghiên cứu tổng hợp các chất hữu cơ. Năm 1828, Friedrich Wöhler điều chế được carbamid (urea) bằng phương pháp nhân tạo từ các chất vô cơ. Cuối thế kỷ 19, đã tìm ra những số liệu về cấu trúc hóa học của axit amin, saccarit, lipit, bản chất của liên kết peptit, bắt đầu nghiên cứu axit nucleic. Năm 1897, Eduard Buchner thành công trong việc lên men vô bào Năm 1886, Charles Alexander MacMunn đã tìm được cytocrom tham gia hệ thống vận chuyển điện tử ở sinh vật. Năm 1897, Eduard Buchner lần đầu tiên chiết được enzym thô từ tế bào nấm men có khả năng thủy phân đường. 3.2. Từ thế kỷ XX đến nay Nhiều phát minh và ứng dụng về hóa sinh được công nhận, xác định bản chất của enzym là protein và kết tinh thành công urease (1926), chiết xuất được ATP (Fiske và Subbarow, 1929), mô tả vai trò của ATP trong quá trình dự trữ và chuyển vận chuyển năng lượng (Lipmann, 1940), Năm 1937, Hans Krebs tìm ra chu trình acid citric (chu trình Krebs), Lohmann và Shuster tìm ra vitamin B1 là coenzym của pyruvat decarboxylase. Năm 1944 Avery, Maclesa và Mac Carty chỉ ra DNA là cơ sở của sự di truyền, mở đầu cho môn hóa sinh di truyền. Từ năm 1950, cơ bản đã xác định các tính chất chủ yếu cuả các chất và con đường chuyển hoá các chất trong cơ thể, nghiên cứu cấu trúc phân tử protein, axit nucleic, liên quan cấu trúc – chức năng, tổng hợp được insulin. Năm 1961, tìm ra mô hình điều hòa gen tổng hợp protein, các quá trình tổng hợp purin, acid amin, glicid, lipid cũng được làm rõ. Từ 1970, bắt đầu nghiên cứu tổng hợp gen bằng phương pháp hóa học và tiếp tục nghiên cứu các quá trình sinh tổng hợp acid nucleic, protein, sự liên quan giữa biến đổi di truyền và các bệnh lý y học. Năm 1980, nghiên cứu hóa sinh của hệ thống miễn dịch học được công bố (Snell, Bena Cerraf và Dausset) và giải thưởng Nobel cho công trình nghiên cứu gắn các mẫu DNA của Paul Berg. Năm 1981 – 1982, tổng hợp thành công gen α-interferon gồn 514 cặp base được thực hiên bởi Leicester. 2