HÓA HỮU CƠ VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ SINH CHUYỂN HÓA

HÓA HỮU CƠ VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ SINH CHUYỂN HÓA

vectorstock.com/3687784

Ths Nguyễn Thanh Tú eBook Collection

HÓA HỮU CƠ VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ SINH CHUYỂN HÓA (Tài liệu tham khảo Soderberg, Timothy, Organic Chemistry with a Biological Emphasis (2016)) WORD VERSION | 2021 EDITION ORDER NOW / CHUYỂN GIAO QUA EMAIL TAILIEUCHUANTHAMKHAO@GMAIL.COM

Tài liệu chuẩn tham khảo Phát triển kênh bởi Ths Nguyễn Thanh Tú Đơn vị tài trợ / phát hành / chia sẻ học thuật : Nguyen Thanh Tu Group Hỗ trợ trực tuyến Fb www.facebook.com/DayKemQuyNhon Mobi/Zalo 0905779594

1.

PHÂN LOẠI ENZYME VÀ CHUYỂN HÓA TRONG CƠ THỂ

FI CI A

VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ SINH CHUYỂN HÓA

L

HÓA HỮU CƠ

OF

Các quá trình hóa sinh trong cơ thể sinh vật hầu hết là các phản ứng hữu cơ thông dụng, phần lớn chúng được xúc tác bởi enzyme. Enzyme là một đại phân tử có cấu trúc proteine (thường là bậc 3 hoặc 4), là sản phẩm của tế bào và đảm nhận vai trò xúc tác quan trọng trong chuyển hóa của cơ thể. Enzyme có thể giúp tăng tốc độ phản ứng lên đến hơn 106 lần so với bình thường. Ngoài ra, nhờ cấu trúc ba chiều phức tạp của enzyme, chúng có 2 đặc tính rất quan trọng là “chọn lọc chất nền” và “chọn lọc phản ứng”. Mỗi enzyme chỉ xúc tác cho một vài chất nền có cấu trúc tương tự nhau và chỉ xúc tác cho một loại phản ứng duy nhất (oxy hóa – khử, vận chuyển nhóm chức, thủy phân,…). Phản ứng xúc tác enzyme thường đi kèm với các coenzyme (cofactor), chúng là các phân tử nhỏ đóng vai trò hoạt hóa enzyme hoặc hỗ trợ enzyme hoặc là chất cùng tham gia phản ứng hữu cơ. Các coenzyme thông dụng như: NADH, FADH2, Thiamine (vitamin B1) pyrophosphate, Pyridoxal (vitamine B6) phosphate, S-adenosyl methionine (SAM),…

ƠN

Có muôn vàn loại enzyme xúc tác cho nhiều kiểu phản ứng khác nhau. Vì thế, Hiệp hội enzyme quốc tế (Enzyme commission) đã đề nghị ra danh pháp EC để giới nghiên cứu không bị nhầm lẫn giữa vô số loại xúc tác sinh học này. Đây là một hệ thống phân loại gồm 4 chữ số, phân loại dựa theo kiểu phản ứng xúc tác enzyme. Mỗi enzyme chỉ xúc tác cho một loại phản ứng tương ứng những kiểu cơ chất (chất nền) nhất định và danh pháp của chúng được biểu diễn bằng 4 chữ số.

VD 1: enzyme lactate dehydrogenase có danh pháp là 1.1.1.27 với 4 chữ số có ý nghĩa riêng: Nhóm enzyme (class): số 1 có nghĩa là nhóm oxidoreductase chuyên xúc tác cho phản ứng oxy hóa khử.

Chữ số thứ hai

Phân nhóm enzyme (subclass): số 1 có nghĩa là chuyên thực hiện phản ứng trên nhóm CHOH.

Chữ số thứ ba

Phân nhóm của phân nhóm enzyme (sub-subclass): số 1 có nghĩa là chất oxy hóa trong nhóm này là NAD+ hoặc NADP+.

Chữ số thứ tư

Số seri (số thứ tự) của enzyme trong nhóm.

QU Y

NH

Chữ số đầu tiên

VD 2: enzyme ribose-phosphate diphosphokinase có danh pháp là 2.7.6.1 với 4 chữ số có ý nghĩa riêng:

Phân nhóm enzyme (subclass): số 7 có nghĩa là chuyên thực hiện phản ứng chuyển nhóm chức chứa phospho.

KÈ

Chữ số thứ hai

Nhóm enzyme (class): số 2 có nghĩa là nhóm transferase chuyên xúc tác cho phản ứng chuyển nhóm chức từ chất này sang chất kia.

M

Chữ số đầu tiên

Y

Chữ số thứ ba

DẠ

Chữ số thứ tư

Phân nhóm của phân nhóm enzyme (sub-subclass): số 6 có nghĩa là nhóm được chuyển mang 2 nguyên tử phospho (diphosphotranferase).

Số seri (số thứ tự) của enzyme trong nhóm.

Người ta chia enzyme thành 6 loại chính được đánh số từ 1 đến 6 theo trật tự cố định như trong bảng sau:

Di chuyển một loại nhóm chức nhất định từ cơ chất này sang cơ chất khác (chuyển nhóm methyl, nhóm phosphate,…).

3. Hydrolase

Thủy phân liên kết ester, amide hay peptide,…

4. Isomerase

Đồng phân hóa: thay đổi trật tự liên kết trong phân tử.

5. Lyase

Tách hoặc cộng một nhóm chức ra khỏi chất nền mà không phải phản ứng thủy phân.

6. Ligase (Synthetase)

Kết hợp các nhóm chức hay nhiều phân tử lại bằng cách hình thành liên kết mới.

CÁC

QU Y

NH

ƠN

L

OF

2. Transferase

2.

Cơ chế và ví dụ Cơ chế: gốc tự do, lấy ion hydride (H-) tạo carbocation.

VD: dehydrogenase, oxidase Cơ chế: phản ứng thế SN2, cộng AN, tautomer hóa, thủy phân,…

VD: transaminase, kinase, deamidase,…

VD: esterase, amidase, peptidase, pepsin, chymotrypsin, trypsin,…

Cơ chế: tautomer hóa, chuyển vị theo kiểu pericyclic (sigmatropic, điện vòng,…),…

VD: isomerase,…

Cơ chế: tách E1, E2, E1cb, retro-aldol hóa,…

VD: decarboxylase, aldolase,…

Cơ chế: cộng AE, AN, Michael, chuyển vị carbocation, thế SEAr, aldol hóa, thế SN1, SN2,…

VD: citric acid synthetase,…

FI CI A

Nhóm enzyme 1. Oxidoreductase

BẢNG PHÂN LOẠI ENZYME Xúc tác phản ứng Oxy hóa: lấy bớt một hoặc nhiều cặp nguyên tử hydro hoặc thêm vào mộ hoặc nhiều nguyên tử oxy từ chất nền.

Khử: thêm vào chất nền một hoặc nhiều cặp nguyên tử hydro.

LOẠI PHẢN ỨNG HÓA SINH THÔNG DỤNG

M

2.1. Phản ứng thế nucleophile sinh hóa

DẠ

Y

KÈ

Một trong những phản ứng thế nucleophile quan trọng trong hóa sinh chính là phản ứng SN2 xúc tác bởi enzyme methyltransferase phụ thuộc S-adenosyl methionine (SAM). SAM là một coenzyme đóng vai trò cung cấp nhóm methyl: hãy tưởng tượng SAM trong tình huống này đơn giản là nhóm methyl gắn với nhóm ra đi sulfide.

OF

FI CI A

L

Hình bên dưới là ví dụ cho quá trình vận chuyển nhóm methyl từ SAM đến nguyên tử nitrogen trên adenine trong phân tử DNA của vi khuẩn. Phản ứng loại này thường được gọi là N-methyl hóa.

QU Y

NH

ƠN

Như có thể thấy trên hình, ở tâm phản ứng (active site) của enzyme, nhóm carboxylate đóng vai trò như một base để nhận H+ tách ra từ phân tử nitrogen. Vì vùng không gian của tâm hoạt động rất bé, nên có thể xem như các quá trình này diễn ra đồng thời với trạng thái chuyển tiếp được minh họa bên dưới.

DẠ

Y

KÈ

M

Một quá trình methyl hóa phụ thuộc SAM khác được xúc tác bởi một enzyme gọi là catechol-Omethyltransferase. Chất nền ở đây là epinephrine, hay tên gọi phổ biến hơn là adrenaline, và phản ứng này là một phần của quá trình chuyển hóa adrenaline trong cơ thể.

Lưu ý, trong ví dụ này, nucleophile tấn công là nhóm OH phenol chứ không phải nguyên tử nitrogen (đó là lý do mà người ta gọi enzyme này là O-methyltransferase). Đặc biệt là OH ở vị trí meta so với mạch carbon chứa nitrogen phản ứng trước, chứ không phải OH ở vị trí para.

OF

FI CI A

L

Đối với phản ứng thế nucleophile trong phản ứng hóa sinh, việc tạo nhóm ra đi cho các nhóm OH là điều rất quan trọng. Góp phần tạo thành nhóm ra đi trong các phản ứng hóa sinh là quá trình chuyển các nhóm hydroxyl (OH) thành các diphosphate hoặc phosphate, hay còn gọi là quá trình phosphoryl hóa.

M

QU Y

NH

ƠN

Phản ứng thế SN1 cũng đóng vai trò chủ đạo trong con đường chuyển hóa carbonhydrate và DNA/RNA Phản ứng dưới đây là một phần trong chuỗi tổng hợp sinh học ấy.

KÈ

Cần lưu ý một số điểm ở đây: đầu tiên, nhóm ra đi diphosphate được làm bền bởi ion Mg2+ trong vùng hoạt động và các liên kết hydro với các amino acid khác (không biểu diễn trong hình), điều này làm cho sự ra đi của nó dễ dàng hơn. Carbocation trung gian bền vững nhờ sự cộng hưởng của cặp electron trên nguyên tử oxy lân cận và nhờ nhóm carboxylate của aspartate trong vùng hoạt động. Lưu ý rằng nhóm carboxylate lúc này nằm ở phía sau mặt phẳng (do yếu tố lập thể của enzyme) nên phân tử ammonia phải tấn công từ trên xuống, làm nghịch đảo hoàn toàn cấu hình của carbon bất đối (chỉ tạo 1 đối quang duy nhất), điều này là rất bất thường đối với các phản ứng SN1.

Y

2.2. Phản ứng cộng nucleophile sinh hóa

DẠ

Hợp chất carbonyl dễ dàng tham gia phản ứng cộng nucleophile trong cơ thể nhờ xúc tác của các loại enzyme khác nhau. Lưu ý rằng phản ứng này cần các xúc tác acid – base, những thứ này đều tồn tại trong vùng hoạt động của enzyme, và các quá trình gần như diễn ra đồng thời với tính chọn lọc lập thể cao.

L FI CI A OF

KÈ

M

QU Y

NH

ƠN

Các nhóm hợp chất carbonyl điển hình trong các hợp chất tự nhiên là các loại carbonhydrate (saccharide).

Hai phân tử monosaccharide có thể tìm thấy nhiều nhất trong tự nhiên đó là D-glucose (chứa nhóm aldehyde) và D-fructose (chứa nhóm ketone). Trong dung dịch ở điều kiện bình thường, các monosacchride này tồn tại dưới 2 dạng là mạch vòng và mạch hở, trong đó mạch vòng chiếm ưu thế. Ở dạng mạch vòng, D-glucose tồn tại chủ yếu dưới dạng vòng 6; trong khi đó, D-fructose có thể tồn tại chủ yếu ở dạng vòng 5 lẫn 6. Trong các dạng mạch vòng của các monosaccaride, đồng phân β luôn chiếm tỉ lệ cao hơn α.

DẠ

Y

Lưu ý rằng các cân bằng được biểu diễn hoàn toàn là các quá trình tự diễn biến không có xúc tác enzyme.

Sản phẩm dạng vòng còn được gọi là các hợp chất hemiacetal hoặc hemiketal với nhóm OH ở carbon số 1 (carbon anomer) được gọi bằng danh pháp cùng tên với hợp chất (OH hemiacetal hoặc hemiketal). Nhóm OH này rất dễ chuyển thành các nhóm ra đi nhờ quá trình phosphoryl hóa.

L FI CI A

QU Y

NH

ƠN

OF

Các phân tử monosaccharide có thể liên kết với nhau ở vị trí C1 (carbon anomer) để tạo thành các liên kết glycoside. Quá trình này được thực hiện nhờ các enzyme chuyển nhóm phosphate và enzyme glycosyl transferase theo cơ chế như sau. Ở bước A1, nhóm OH hemiacetal được phosphoryl hóa sau đó tiếp tục gắn thêm hợp phần UMP (uracil monophosphate) từ UTP để tạo thành nhóm -OUDP (uracil diphosphate) ở bước A2, đóng vai trò là nhóm dễ ra đi.

DẠ

Y

KÈ

M

Nhóm -OUDP lúc này xuất ra dễ dàng, tạo thành carbocation bền vững rồi sau đó bị tấn công bởi nhóm OH của mạch cellulose để tạo thành hợp chất acetal cùng với một liên kết glycoside mới.

Carbon electrophile của nhóm aldehyde hoặc ketone còn là mục tiêu tấn công của các amine cũng như alcol.

Kết quả của sự tấn công bởi một nucleophile amine là thay thế nhóm C=O bằng nhóm C=N, hay còn gọi là nhóm imine. Ở điều kiện pH khoảng 7, giống với điều kiện sinh lý, nhóm imine (đóng vai trò như một base

OF

FI CI A

L

yếu) có thể được vẽ dưới dạng trung hòa (không ion hóa) hoặc dạng iminium (dạng ion hóa). Quá trình tạo iminium được biểu diễn theo sơ đồ bên dưới.

KÈ

M

QU Y

NH

ƠN

Iminium là một trung gian quan trọng trong các phản ứng hóa sinh, nguyên tử carbon này có tính electrophile rất lớn, hơn cả nhóm aldehyde nên dễ dàng phản ứng với nhiều nucleophile yếu trong môi trường sinh học. Imine hay iminium là trung gian quan trọng trong các quá trình vận chuyển nhóm NH2 phụ thuộc pyridoxal phosphate (PLP), hay còn gọi là vitamin B6, xúc tác bởi các enzyme transaminase.

Một phần của quá trình được biểu diễn bằng hình bên dưới.

Y

Các iminium này còn đóng vai trò trung gian trong các phản ứng đóng vòng tạo thành các dẫn chất alkaloid (hợp chất tự nhiên chứa nitrogen), để tạo nhóm chức amine (liên kết C-N) bằng phản ứng nhận ion hydride (H-), hoặc để hoạt hóa cho phản ứng decarboxyl hóa.

DẠ

2.3. Phản ứng thế acyl nucleophile Trong tự nhiên, tồn tại nhiều các dẫn chất của acid carboxylic (RCOOH) mà tại đó nhóm OH được thay thế bằng các nhóm OR, NR2, SR,… gọi là các ester, amide hay thioester,… tương ứng. Các dẫn chất của acid carboxylic (RCO-X) có cấu trúc gồm phần acyl (RCO-) và phần “acyl X” (hợp phần này không có một cách gọi chung trong hóa hữu cơ).

L FI CI A

OF

Nhóm X dễ bị thế đi bởi các nucleophile khác thông qua phản ứng thế acyl nucleophile vào nhóm carbonyl.

Cơ chế phản ứng được biểu diễn đơn giản như sau:

QU Y

NH

ƠN

Nhóm thế X càng dễ ra đi khi nó là base liên hợp của acid càng mạnh. Độ hoạt động tương đối của các dẫn chất acid carboxylic được thể hiện ở hình bên dưới. Lưu ý rằng, trong các phản ứng hóa sinh, các dẫn chất thioester và acyl phosphate (acyl-AMP) là tương đương với các anhydride hoặc acyl chloride trong các phản ứng ở phòng thí nghiệm.

DẠ

Y

KÈ

M

Ở pH cơ thể sinh học (pH ~ 7), các acid carboxylic tồn tại chủ yếu ở dạng carboxylate, nên việc tham gia phản ứng thế hết sức khó khăn. Để thực hiện phản ứng, các nhóm này thường phải được kích hoạt nhờ quá trình phosphoryl hóa (để tạo thành acyl-AMP) hoặc quá trình tạo thioester nhờ tác dụng với coenzyme A (CoASH).

L FI CI A OF

NH

ƠN

Coenzyme A là một phân tử sinh học khá lớn, mà trong đó, nhóm chức quan trọng nhất là nhóm thiol (SH), đó cũng là lý do mà tên viết tắt của nó là CoASH (HSCoA) để nhấn mạnh tầm quan trọng của nhóm chức này.

M

QU Y

Phản ứng thioester hóa thực tế bao gồm 2 bước là phosphoryl hóa (chuyển nhóm carboxylate thành acyl monophosphate) và bước tấn công của phân tử coenzyme A. Phương trình thioester hóa có thể được biểu diễn ngắn gọn như hình bên dưới.

DẠ

Y

KÈ

Các thioester có khả năng tham gia các phản ứng xây dựng khung carbon trong các hợp chất tự nhiên, một trong những phản ứng quan trọng đó là phản ứng ngưng tụ Claisen. Đầu tiên, các thioester thực hiện phản ứng trao đổi thioester với nhóm SH của cysteine trong tâm hoat động của enzyme. Sau đó, một enolate khác từ một phân tử thioester bị deproton hóa ở carbon alpha tấn công vào nhóm thioester đang gắn với enzyme.

Cơ chế được biểu diễn đơn giản như sau.

L FI CI A

QU Y

NH

ƠN

OF

Trong tự nhiên, các hợp chất thioester, ester hay amide dễ dàng bị thủy phân bởi nước để tạo thành các dẫn chất carboxylate. Vì các ion carboxylate rất bền vững và kém hoạt động, nên quá trình thủy phân các chất trên rất thuận lợi về mặt nhiệt động, trong đó thủy phân thioester thuận lợi nhất trong cả ba.

M

Acetylcholinesterase (EC 3.1.1.7), một enzyme có mặt ở các synapse (xi-náp), xúc tác cho quá trình thủy phân nhóm ester của acetylcholine, một chất dẫn truyền thần kinh kích hoạt sự co cơ.

DẠ

Y

KÈ

Các liên kết peptide trong proteine hoặc các polypeptide rất khó thực hiện phản ứng thủy phân ở điều kiện bình thường dù cho quá trình thuận lợi nhiệt động. Vì thế, các quá trình thủy phân liên kết peptide trong cơ thể sinh vật chủ yếu được xúc tác nhờ các enzyme được gọi chung là các protease. Các enzyme nhóm này có khả năng thủy phân rất chọn lọc vị trí và đặc hiệu cho từng loại liên kết peptide. Hình bên dưới minh họa quá trình thủy phân liên kết peptide, được xúc tác bởi enzyme HIV protease (thuộc phân họ aspartyl protease).

L FI CI A OF ƠN NH

QU Y

Câu 1: Đề xuất cơ chế cho quá trình tạo dẫn chất amidinium từ một amide và một amine trong cơ thể.

Biết phản ứng này có sử dụng một phân tử ATP để kích hoạt amide, tạo thành trung gian acyl-AMP.

2.4. Phản ứng ở carbon alpha (α-carbon)

KÈ

M

Hydro ở vị trí α (gọi là hydro alpha) so với nhóm carbonyl dễ dàng bị deproton hóa tạo thành carbanion bền do tạo thành sự cộng hưởng enolate. Tùy vào dẫn chất carbonyl là gì mà các hydro alpha có pKa dao động từ 10 (ở hợp chất dicarbonyl) – 25 (trong các dẫn chất ester hay amide). Quá trình tạo enolate cơ bản được biểu diễn như sau.

DẠ

Y

Enzyme isomerase là một enzyme chuyên xúc tác cho các quá trình đồng phân hóa, và một trong các phản ứng được xúc tác bởi enzyme này chính là quá trình đồng phân hóa ketose – aldose, xuất hiện nhiều trong các hợp chất monosaccharide trong tự nhiên. Nhắc lại rằng : các phân tử đường chứa nhóm aldehyde được gọi là aldose, còn các đường chứa nhóm ketone được gọi là ketose.

L FI CI A

OF

Cơ chế quá trình này đơn giản gồm 2 bước: bước đầu tạo hợp chất "ene-diol", hợp chất trung gian này sau đó hỗ biến (tautomer hóa) tạo thành hợp chất carbonyl tương ứng.

Sự tạo thành enolate trung gian đóng góp nhiều vào các quá trình sinh hóa, bao gồm: hiện tượng epimer hóa, đồng phân hóa alkene, phản ứng cộng aldol hay phản ứng ngưng tụ Claisen đã được bình luận ở phần trên.

KÈ

M

QU Y

VD2 : Hiện tượng đồng phân hóa alkene

NH

ƠN

VD1 : Hiện tượng epimer hóa chuyển L-glutamate thành D-glutamate

DẠ

Y

VD3 : Phản ứng aldol hóa tổng hợp fructose-1,6-bisphosphate

Lưu ý rằng, phản ứng aldol hóa trong sinh hóa là phản ứng thường xảy ra theo cả 2 chiều hướng. Như trong VD3, chiều thuận được gọi là quá trình cộng aldol, chiều ngược lại được gọi là phản ứng retro-aldol, và cả 2 quá trình này đều được xúc tác bởi 1 enzyme duy nhất (aldolase).

FI CI A

L

Gần giống với phản ứng retro-aldol, phản ứng decarboxyl hóa trong các quá trình sinh hóa gắn liền với sự tạo thành enolate trung gian. Để thực hiện được điều này, nhóm carboxyate phải ở vị trí β so với nhóm carbonyl.

NH

ƠN

OF

Bên dưới là ví dụ điển hình cho các bước decarboxyl hóa (EC 1.1.1.42 ; EC 1.1.1.43) là trọng tâm của các chu trình dị hóa (đặc biệt là trong chu trình acid citric và quá trình dị hóa theo con đường pentose phosphate).

Các phản ứng cho thấy rằng mỗi nguyên tử carbon trong thức ăn của chúng ta đều tạo thành khí CO2.

M

QU Y

Trong quá trình tổng hợp chất béo, sự decarboxyl hóa phân tử malonyl-ACP cung cấp tác nhân enolate để gắn 2 nguyên tử carbon vào mạch thioester có sẵn.

DẠ

Y

KÈ

Quá trình này chính là phản ứng decarboxyl hóa – ngưng tụ Claisen. Cơ chế phản ứng được biểu diễn ngắn gọn như sau.

L FI CI A OF

Ngoài ra, phản ứng cộng Michael và sự tách E1cb là 2 phản ứng ngược nhau và chúng rất thường xuất hiện trong các quá trình sinh hóa.

NH

ƠN

VD1 : Phản ứng cộng nước trong quá trình tổng hợp chất béo.

QU Y

VD2 : Phản ứng tách nhóm phosphate bởi 3-dehydroquinate synthase (EC 4.2.3.4) trong chuỗi sinh tổng hợp các amino acid thơm.

2.5. Phản ứng electrophile hóa sinh

KÈ

M

Phản ứng cộng electrophile là một trong những phản ứng electrophile không quá xa lạ trong hóa hữu cơ, thậm chí trong các chuyển hóa sinh học, các phản ứng loại này hiện hữu rất nhiều, đặc biệt là trong các chu trình sinh tổng hợp tinh dầu thực vật. Gần đây, một quá trình thoái hóa myrcene bằng con đường xúc tác enzyme đã được tìm thấy trong vi khuẩn (J. Biol. Chem 2010, 285, 30436). Bước đầu tiên của quá trình này là cộng nước vào hệ nối đôi alkene liên hợp.

DẠ

Y

Terpineol, một thành phần chính trong nhựa cây thông, được hình thành nhờ phản ứng cộng electrophile, quá trình được biểu diễn theo các giai đoạn ở hình bên dưới.

L FI CI A OF

ƠN

Bước đầu tiên (bước a) đơn giản chỉ là quá trình tách nhóm ra đi (OPP) ra khỏi phân tử, tạo thành carbocation bền vững nhờ sự cộng hưởng. Phản ứng cộng electrophile thực sự bắt đầu xảy ra ở bước 1 (step 1), khi nối đôi còn lại trong phân tử tấn công vào carbocation ở vị trí đầu mạnh, đóng vòng và tạo carbocation bậc 3 mới. Cuối cùng, phân tử nước tấn công vào trung gian carbocation ở bước 2 (step 2), trao đổi proton với môi trường để tạo thành (S)-α-terpineol.

NH

Phản ứng tách cũng là một trong những ví dụ cho nhóm phản ứng này, tuy nhiên, trong các chuỗi sinh hóa, hầu hết các phản ứng tách đều hiện hữu dưới dạng tách E1cb, phản ứng xảy ra trên carbon α so với nhóm carbonyl hay imine ta đã bàn ở phần trên. Sự tách theo cơ chế khác thường ít gặp, và hầu hết các trường hợp còn lại đều theo cơ chế tách E1, phản ứng tách E2 thực sự rất hiếm trong các con đường sinh tổng hợp.

KÈ

M

QU Y

Một phản ứng trong chu trình sinh tổng hợp histidine (EC 4.2.1.19) là một ví dụ cho sự tách nước theo E1.

DẠ

Y

Isopentenyl diphosphate, một hợp phần cho tất cả các hợp chất có cấu trúc isoprenoid (terpenoid), là sản phẩm của sự tách E1, nơi nó xảy ra đồng thời với quá trình decarboxyl hóa (EC 4.1.1.33).

L FI CI A

Dự đoán sản phẩm và đề nghị cơ chế phản ứng.

Cho biết 2 động lực chính thúc đẩy quá trình phản ứng này.

ƠN

1) 2)

OF

Câu 2: Một phản ứng tách kèm decarboxyl hóa (EC 4.2.1.51) xảy ra trong con đường sinh tổng hợp phenylalanine được biểu diễn như sau.

QU Y

NH

Phản ứng thế electrophile cũng đặc biệt quan trọng trong các quá trình sinh tổng hợp các terpenoid. Giai đoạn đầu tiên là phản ứng nối dài mạch (EC 2.5.1.1) giữa IPP và DMAPP để tạo thành mạch isoprenoid 10 carbon gọi là geranyl diphosphate (GPP):

DẠ

Y

KÈ

M

Cơ chế của quá trình được giải thích khá đơn giản. Carbocation tạo thành bởi việc xuất nhóm OPP trên DMAPP bị nhóm alkene của IPP tấn công, tạo thành carbocation bậc 3 mới, theo sau là phản ứng tách proton theo kiểu E1 để tạo thành sản phẩm GPP.

FI CI A

L

Câu 3: Đề nghị cơ chế cho một trong những phản ứng tổng hợp isoprenoid được tìm thấy trong thực vật (Science 1997, 277, 1815).

ƠN

OF

Hiện tượng chuyển vị carbocation cũng rất thường gặp trong các phản ứng electrophile sinh hóa. Các nhóm hydride hay methyl ở cạnh carbocation có xu hướng chuyển vị vào carbocation để hình thành carbocation mới bền vững hơn.

QU Y

NH

Câu 4: Chuyển vị carbocation hiện diện trong rất nhiều các phản ứng hóa sinh. Sự chuyển vị đặt biệt quan trọng, cần lưu ý trong các phản ứng thông qua trung gian carbocation, nơi nó có thể đóng vòng để tạo thành các cấu trúc đa vòng phức tạp. Ví dụ, một trong những bước chìa khóa trong sinh tổng hợp cholesterol là bước đóng vòng oxidosqualene từ streoid gọi là lanosterol (EC 5.4.99.7).

M

Đề xuất cơ chế cho chuyển hóa trên. Biết môi trường thực hiện phản ứng có tính acid và phản ứng bao gồm nhiều bước chuyển vị liên hoàn.

2.6. Phản ứng oxy hóa – khử trong hóa sinh

DẠ

Y

KÈ

Phản ứng oxy hóa khử bản chất là sự cho nhận electron và làm thay đổi số oxy hóa của hợp chất. Nhưng trong phản ứng hóa sinh, nó thường thể hiện dưới hình thức cho hay nhận nguyên tử hydro hoặc oxy. Đầu tiên, chúng ta sẽ tìm hiểu quá trình oxy hóa khử dưới dạng cho – nhận phân tử hydro (H2). Phản ứng hydro hóa thường đại diện cho quá trình khử (làm chất tăng lên 2n nguyên tử hydro), mà bản chất đó là quá trình cung cấp ion hydride (H-) và sau đó là trung hòa lại bằng hạt proton. Ngược lại, phản ứng oxy hóa là quá trình mất 2n nguyên tử hydro dưới hình thức mất ion hydride và hạt proton.

L FI CI A

2.6.1.

OF

Quá trình hydro hóa hay dehydro hóa còn được gọi là các phản ứng vận chuyển hydride, ion quan trọng đóng vai trò là chất khử trong các phản ứng hóa sinh. Các phần sau sẽ giới thiệu 2 nhóm coenzyme quan trọng trong phản ứng hóa sinh: i- nhận ion hydride (hydride ion acceptors – chất oxy hóa) và ii- cho ion hydride (hydride ion donors – chất khử).

Tác nhân vận chuyển hydride nhóm nicotinamide dinucleotide

QU Y

NH

ƠN

Nhóm coenzyme quan trọng đầu tiên chính là nicotinamide adenine dinucleotide. Cấu trúc toàn phần của coenzyme này được biểu diễn bên dưới, viết tắt là NAD+, trong đó vùng hoạt động là nhóm nicotinamide.

Cũng chính vì điều này mà phần còn lại của phân tử NAD+ (ngoài phần nicotinamide) thường được kí hiệu là nhóm R.

Nếu nhóm hydroxyl (vị trí mũi tên) được phosphoryl hóa, thì coenzyme này được gọi là NADP+. Nhóm phosphate ở vị trí rất xa vùng nicotinamide nên không đóng vai trò gì đến quá trình vận chuyển hydride.

Tuy nhiên, điều này quan trọng trong ngữ cảnh sinh học: quy tắc cơ bản, enzyme xúc tác cho các quá trình dị hóa (chuyển hóa các phân tử lớn thành phân tử nhỏ) dùng coenzyme không phosphoryl hóa, trong khi xúc tác cho các quá trình đồng hóa (sinh tổng hợp đại phân tử) thì dùng coenzyme phosphoryl hóa.

DẠ

Y

KÈ

M

NAD+ và NADP+ đóng vai trò là chất nhận hydride trong phản ứng hóa sinh. Dạng khử của các coenzyme này, viết tắt là NADH và NADPH, là những chất cho hydride, đóng vai trò như chất khử.

Để dễ ghi nhớ, NAD(P)H có tính tương đồng với NaBH4 trong phản ứng hữu cơ về mặt chọn lọc nhóm chức phản ứng (dù thế khử của 2 chất không giống nhau). Các chất khử này có thể khử hóa nhóm aldehyde hoặc ketone về các alcol bậc 1 hoặc 2 tương ứng với cơ chế được minh họa cơ bản như hình dưới.

L FI CI A

NH

ƠN

OF

Ngược lại, quá trình dehydro hóa alcol bởi NAD+ cũng đơn giản chỉ là quá trình nghịch đảo của phản ứng hydro hóa trên.

DẠ

Y

KÈ

M

QU Y

Tuy nhiên, trong một số tình huống, nó có thể khử hóa các thioester tạo thành aldehyde hoặc oxy hóa các aldehyde tạo thành các thioester tương ứng.

OF

FI CI A

L

Ngoài ra, NAD(P)H còn có thể khử được nhóm imine tạo thành các amine tương ứng. Phản ứng bên dưới là bước cuối của quá trình sinh tổng hợp proline (EC 1.5.1.2) là một ví dụ của sự khử nhóm imine.

Câu 5: Đề nghị sản phẩm cho các phản ứng sau: EC 1.4.1.2

2)

EC 1.1.1.34

QU Y

NH

ƠN

1)

M

Câu 6: Acid carboxylic không thể bị khử trực tiếp về aldehyde hay ketone được do tồn tại dưới dạng carboxylate ở điều kiện pH sinh hóa. Tuy nhiên, bằng sự hoạt hóa phù hợp bởi ATP để tạo thành acyl phosphate, các acid carboxylic có khả năng bị khử bởi NADH để tạo thành aldehyde. Từ ý tưởng này, hoàn thành chuỗi phản ứng bên dưới. Có thể biểu diễn các sản phẩm dưới dạng chất trung hòa về điện,

DẠ

Y

KÈ

Các tác nhân cho hydride như NAD(P)H còn có thể khử hóa các α,β-không no thioester theo cơ chế cộng nucleophile 1,4.

L FI CI A OF

2.6.2.

Tác nhân vận chuyển hydride nhóm flavin adenine dinucleotide

M

QU Y

NH

ƠN

Ngược lại, các thioester có thể bị dehydro hóa ở vị trí α, β bằng các flavin coenzyme nhận hydride như flavin adenine dinucleotide (FAD). FAD có cấu tạo gồm 3 thành phần: hệ 3 vòng flavin, nhóm ribose phosphate và AMP. Một dạng chuyển hóa khác của FAD mà tại đó cấu trúc thiếu đi thành phầm AMP, được gọi là flavin mononucleotide (FMN).

DẠ

Y

KÈ

FAD và FMN đều là dạng oxy hóa của flavin. Dạng khử (dạng hydrogen hóa) của các cofactor này được kí hiệu là FADH2 và FMNH2 tương ứng.

OF

FI CI A

L

Cũng như các coenzyme nicotinamide, các flavin cũng chia làm chất cho và nhận hydride. FAD và FMN là các chất nhận hydride (và proton), FADH2 và FMNH2 ngược lại đóng vai trò là các chất cho hydride cho quá trình hydro hóa.

1)

Đề nghị cơ chế cho quá trình hoàn nguyên FADH2 từ FAD và NADH/H+. Lưu ý chỉ cần biểu diễn rõ khung nicotinamide và flavin, các nhóm thế khác kí hiệu bằng chữ R. So sánh tính khử giữa NADH và FADH2.

So sánh tính oxy hóa giữa NAD+ và FAD.

NH

2) 3)

ƠN

Câu 7: Trong các phản ứng xúc tác enzyme, FADH2 sau khi thực hiện phản ứng tạo thành FAD, nó được khử lại thành FADH2 để tái sử dụng lại cho phản ứng tiếp theo bằng NADH, thay vì đi ra khỏi tâm hoạt động của enzyme.

Tuy nhiên, khác với cofactor nicotinamide, các flavins còn thực hiện phản ứng theo cơ chế đơn chuyển electron (single electron transfer – SET). Vấn đề này sẽ được bàn luận ở phần sau.

M

QU Y

Trong tế bào nhân thực, phần cysteine trong proteine nội bào thường ở dạng thiol tự do vì trong tế bào luôn tồn tại một lượng lớn glutathione (GSH). Liên kết disufide trong tế bào thường sẽ bị khử bởi lượng dư glutahione này.

DẠ

Y

KÈ

Đôi khi, các cầu nối disulfide này có thể bị khử bởi các cofactor flavin theo cơ chế bên dưới.

L FI CI A OF ƠN NH

2.6.3.

Các phản ứng của enzyme oxygenase

QU Y

Tính tới hiện tại, chúng ta đã tạm đi qua xong các phản ứng oxy hóa khử dưới dạng hydro hay dehydro hóa.

Tuy nhiên, nhiều phản ứng oxy hóa khử quan trọng khác trong hóa sinh lại không tuân theo những quy tắc cơ bản ở phần trên, đặc biệt là các quá trình oxy hóa bằng cách “gắn thêm 1 hoặc nhiều oxy vào phân tử”.

Các enzyme oxygenase chính là xúc tác chính cho các quá trình này.

DẠ

Y

KÈ

M

Enzyme thực hiện quá trình “chèn” 1 nguyên tử oxy được gọi là các monooxygenase. Bên dưới là 2 ví dụ của các chuyển hóa xúc tác bởi các monooxygenase: một là quá trình hydroxyl hóa, quá trình còn lại là epoxide hóa.

Các enzyme dioxygenase có thể gắn trực tiếp 2 nguyên tử oxy từ phân tử O2 vào chất nền, và thông thường kèm theo sau đó là sự phá vỡ hệ thơm. Bên dưới là ví dụ cho phản ứng xúc tác bởi enzyme dioxygenase.

L

OF

FI CI A

Ở quá trình khử trực tiếp, các enzyme reductase có vai trò “tháo” nguyên tử oxy ra khỏi phân tử, hoặc đôi khi là các dị tố có độ âm điện lớn nư nitrogen hay các halide (halogenua). Ví dụ, các DNA deoxyribonucleoside được chuyển hóa từ RNA tương ứng bằng tác dụng của enzyme reductase.

QU Y

NH

ƠN

Nhiều phản ứng của oxygenase và reductase có sự tham gia của các kim loại chuyển tiếp như sắt hay đồng, và cơ chế cụ thể của các phản ứng ấy nằm ngoài phạm vi thảo luận của tài liệu này. Tuy nhiên, ở phần lớn phản ứng hóa sinh của monooxygenase liên quan đến cofactor oxy hóa – khử flavin, chúng ta có đủ kiến thức nền tảng để hiểu rõ cơ chế của các phản ứng này. Trong các phản ứng của monooxygenase phụ thuộc flavin, trung gian chìa khóa chính là flavin hydroperoxide. Chất này được tạo thành bởi sự tương tác giữa FADH2 và phân tử oxy singlet (phân tử O2 ở trạng thái kích thích) theo phản ứng bên dưới.

M

Cần nhớ rằng, oxy ở trạng thái singlet có một liên kết đôi và không chứa electron độc thân, trong khi oxy ở trạng thái cơ bản (triplet) thì có vai trò như 2 gốc tự do. Vì thế một quan điểm khác có thể giải thích sự tạo thành flavin hydroperoxide là theo cơ chế gốc tự do, điều này vẫn không vi phạm các nguyên tắc cơ bản.

DẠ

Y

KÈ

Cơ chế cho phản ứng hydroxyl hóa bởi monooxygenase có thể được giải thích theo sơ đồ bên dưới.

L FI CI A OF ƠN NH

DẠ

Y

KÈ

M

QU Y

Flavin hydroxide tạo thành nhanh chóng tách nước tạo thành FAD, sau đó được khử về FADH2 nhờ NADH và tiếp tục chu trình trên.

FI CI A

L

Như vậy, chất trực tiếp theo gia phản ứng là FADH2 và O2, nhưng NADH lại là chất được tiêu thụ trong các phản ứng này, nên ta có thể xem FADH2 như xúc tác, và thậm chí trong nhiều chuỗi sinh tổng hợp, người ta không biểu diễn vai trò của FADH2 trên mũi tên phản ứng. Một phản ứng oxy hóa khác trên nhóm amine bậc 1 được biểu diễn như sau.

QU Y

NH

ƠN

OF

Các monooxygenase còn có thể thực hiện các phản ứng cung cấp oxy vào phân tử như phản ứng epoxide hóa squalene bên dưới.

DẠ

Y

KÈ

M

Thậm chí gần đây, người ta còn tìm thấy phản ứng oxy hóa Baeyer-Villiger trong phản ứng hóa sinh. Quá trình này được tìm thấy trong các loài vi khuẩn sống ở nơi có nhiệt độ cao. (Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2004, 101, 13157)

L FI CI A OF ƠN

QU Y

NH

Một ví dụ khác cho phản ứng này được tìm thấy trong chuỗi sinh tổng hợp mithromycin ở một vài loại vi khuẩn. (ACS Chem. Biol. 2013, 8, 2466)

KÈ

M

Câu 8: Một phản ứng khác có cơ chế tương tự phản ứng oxy hóa Baeyer-Villiger là phản ứng decarboxyl hóa trong chuỗi sinh tổng hợp auxin, một hormon thực vật. (J. Biol. Chem. 2013, 288, 1448)

Y

Đề xuất cơ chế cho phản ứng này.

DẠ

Như vậy, tóm lại, chúng ta đã có một vài khái niệm cơ bản về một số tác nhân oxy hóa – khử trong các phản ứng sinh hóa. Những tác nhân này cực kì thông dụng và thiết yếu trong các chuyển hóa tự nhiên. Bên dưới là bảng tóm lược các tác nhân oxy hóa – khử và một số điểm quan trọng cần nhớ khi học phần này.

Coenzyme

Kí hiệu

Nhóm

Công dụng

Cơ chế

Lưu ý

Cấp hydride cho phản ứng cộng nucleophile

Thế khử cặp NAD(P)+/NAD(P )H+H+ ở pH = 7 là -0,32

Flavin

_ Khử alkene ở vị trí α,β-không no so với nhóm carbonyl về alkane _ Khử cầu nối disulfide

Cấp hydride cho phản ứng cộng nucleophile hay thế nucleophile

Thế khử cặp FAD(P)+/FADH2( P)H+H+ ở pH = 7 là -0,22 (tuy nhiên con số này rất biến thiên)

GSH (glutathione)

Peptide

_ Khử cầu nói disulfide _ Khử các gốc tự do (HO•,...) _ Khử các chất độc khác (VD: NAPQI từ paracetamol,...)

NAD(P)+

_ Oxy hóa alcol bậc 1/2 thành aldehyde/ketone tương ứng _ Oxy hóa aldehyde thành acid carboxylic/thioester Nicotinamide _ Oxy hóa amine bậc 1/2/3 thành imine/iminium tương ứng _ Oxy hóa FAD(P)H2 thành FAD(P)

NH

Flavin

(Thêm 1 nguyên tử oxy vào phân tử chất hữu cơ thông qua flavin hydroperoxide) _ Hydroxyl hóa vòng thơm giàu điện tử (1) _ Hydroxyl hóa amine no (tạo Nicotinamide liên kết N-O) (2) Flavin _ Hydroxyl hóa ether (carbon gắn vói oxy) (3) _ Hydroxyl hóa vòng thơm không giàu điện tử (4) _ Hydroxyl hóa vị trí allylic (5) _ Epoxide hóa alkene (6) _ Phản ứng Baeyer-Villiger (7)

KÈ

M

Oxy hóa

_ Dehydro hóa alkane ở vị trí α,β-không no so với nhóm carbonyl thành alkene _ Oxy hóa thiol thành cầu disulfide

QU Y

FAD(P) (hoặc FMN)

DẠ

Y

NAD(P)H+O2 (xt. FADH2)

2.7. Phản ứng gốc tự do

2.7.1.

FI CI A

FAD(P)H2 (hoặc FMNH2)

ƠN

Khử

OF

NAD(P)H+H+

Tổn hại do quá trình oxy hóa và các chất chống gốc tự do

L

_ Khử aldehyde/ketone về alcol tương ứng _ Khử thioester/acyl phosphate Nicotinamide về aldehyde _ Khử imine/iminium về amine tương ứng _ Khử FAD(P) về FAD(P)H2

_ Cộng nucleophile _ Thế nucleophile

Nhận hydride theo cơ chế tách

_ Nhận hydride theo cơ chế tách _ Cộng nucleophile _ (1), (2): Thế nucleophile _ (3): có thể là gốc tự do hoặc đơn chuyển electron (SET)? _ (4): có thể là thế electrophile? _ (5): có thể là gốc tự do _ (6): cộng electrophile _ (7): cộng nucleophile kèm chuyển vị

Về mặt kinh nghiệm, vị trí gắn nguyên tử oxy xảy ra chọn lọc ở tâm có tính khứ mạnh nhất (giàu điện tử) đến tâm có tính khử yếu nhất (nghèo điện tử), thông thường là: (1) ≈ (2) ≈ (3) > (4) ≈ (5) > (6) > (7)

NH

ƠN

OF

FI CI A

L

Từ rất lâu, nhiều quan điểm cho rằng thủ phạm của quá trình lão hóa trong cơ thể chính là các gốc tự do.

Gốc tự do là các tiểu phân rất hoạt động, chúng có thể trung hòa hoặc mang điện tích, nhưng đặc điểm chung là đều chứa 1 electron độc thân. Chính electron độc thân này làm cho các tiểu phân ấy trở nên cực kì hoạt động, chúng luôn có xu hướng tiếp cận các phân tử khác trong cơ thể để tạo thành gốc tự do mới, từ đó hủy hoại dần cấu trúc tế bào và mô. Gốc tự do điển hình nhất trong cơ thể đó chính là gốc tự do hydroxyl (HO•) được tạo ra từ quá trình phân cắt đồng ly hydro peroxide (H2O2), một sản phẩm phụ trong quá trình hô hấp tế bào (sản phẩm khử không hoàn toàn của khí O2). Như vậy bản chất của gốc tự do chính là các chất oxy hóa. Chuỗi phản ứng bên dưới minh họa quá trình hủy hoại gốc lipid trên màng tế bào, dẫn đến sự hình thành lipid hydroperoxide.

KÈ

M

QU Y

Để chống lại gốc tự do, người ta tin rằng Mẹ thiên nhiên có thể giúp chúng ta làm điều đó. Nhiều nghiên cứu về gốc tự do cho thấy, các thực phẩm như cam, chanh, cà chua, trà, hoa hòe, artichoke,… chứa rất nhiều chất chống gốc tự do, từ đó ngăn ngừa hiệu quả các bệnh liên quan đến gốc tự do và quá trình lão hóa. Trong đó, có lẽ được biết đến nhiều nhất chính là vitamin C (acid ascorbic), một chất khử khá tốt để chống lại tác nhân oxy hóa là gốc tự do. Bản chất của các chất khử này chính là tác dụng với gốc tự do hoạt động để tạo thành một gốc tự do mới bền hơn, đồng nghĩa với việc kém hoạt động hơn.

DẠ

Y

Vitamin C có pKa khoảng 4.1, vì thế trong môi trường sinh lý, nó tồn tại dưới dạng ion ascorbate. Khi tiếp xúc với gốc tự do, nó thực hiện quá trình đơn chuyển electron đến gốc tự do để tạo thành anion hydroxide âm vô hại, đồng thời chính nó tự chuyển thành gốc tự do ascorbyl kém hoạt động ( do được làm bền bằng hiệu ứng liên hợp).

L FI CI A

ƠN

OF

Gốc tự do ascorbyl có thể đơn chuyển tiếp 1 electron nữa cho gốc tự do hoạt động khác để tạo thành dehydroascorbate, dạng oxy hóa của ascobate.

KÈ

M

QU Y

NH

Ngoài vitamin C, hẳn ít nhiều các bạn cũng đã từng nghe nói đến nhóm hợp chất chống oxy hóa “polyphenol” rất tốt cho sức khỏe con người. Ví dụ, apigenine được tìm thấy trong ngò hoặc cần tây, hay là (phẩn vỏ) nho dùng để chế rượu vang cũng chứa rất nhiều hợp chất resveratrol, chất tạo màu đỏ cho loại thức uống này cũng như nhiều loại polyphenol có lợi khác. Curcumin, thành phần chính tạo nên màu vàng của nghệ, gia vị không thể thiếu của người Ấn độ cũng là một trong các chất chống oxy hóa cực kì hiệu quả.

DẠ

Y

Cơ chế chống gốc tự do của các hợp chất này nói chung cũng giống với vitamin C, chúng tác dụng với gốc hydroxyl để tạo thành các gốc tự do bền vững và kém hoạt động hơn.

2.7.2.

Flavin và vai trò đơn vận chuyển electron

OF

FI CI A

L

Các flavin ở dạng khử, ngoài vai trò vận chuyển nhóm hydride, chúng còn có thể thực hiện quá trình đơn chuyển 1 electron đến 1 tác nhân oxy hóa khác. Kết thúc quá trình đơn chuyển electron thứ nhất, nó tạo thành gốc tự do flavin semiquinone. Sau khi thực hiện quá trình cho 2 electron, flavin dạng khử trở thành dạng oxy hóa (từ FADH2 trở thành FAD).

2.8. Coenzyme

M

QU Y

NH

ƠN

Hai chất nhận electron quan trọng nhất trong sinh chuyển hóa ở cơ thể người chính là ubiquinone (coenzyme Q) và dạng oxy hóa của cytochrome. Ubiquinone là một coenzyme có khả năng nhận một electron để tạo thành dạng gốc tự do ubiquinone semiquinone, sau đó nhận tiếp 1 electron nữa để trở thành dạng khử (từ Q trở thành QH2). Cyctochrome là một loại proteine chứa “heme” với ion trung tâm là sắt, nơi số oxy hóa luôn chuyển đổi giữa Fe3+ (dạng oxy hóa) và Fe2+ (dạng khử).

2.8.1.

KÈ

Trong phần này, chúng ta sẽ bàn luận sơ qua về các phản ứng và cơ chế tổng quát của một số coenzyme thông dụng trong các chuỗi tổng hợp sinh hóa, chủ yếu là vitamin B6 và vitamin B1.

Pyridoxalphospate (Vitamin B6)

DẠ

Y

Coenzyme pyridoxal phosphate (thường được viết tắt là PLP) là dạng hoạt động của vitamin B6 hay còn gọi là pyridoxine.

L FI CI A

QU Y

NH

ƠN

OF

Bước đầu tiên trong chu kì hoạt động của cofactor này là sự tạo nhóm imine giữa nhóm aldehyde trên PLP với nhóm amine bậc 1 tự do (trên lysine) ở tâm hoạt động của enzyme, tạo thành trạng thái ngoại aldimine (external aldimine).

DẠ

Y

KÈ

M

Sau đó, chất nền (thường là một amino acid) thực hiện quá trình vận chuyển imine tạo thành nội aldimine (internal aldimine).

Nội aldimine là chất trung gian rất quan trọng, là chất khởi động cho các phản ứng hóa sinh tiếp theo. Tùy vào loại phản ứng mà enzyme xúc tác và vị trí hoạt động trên cấu trúc chất nền mà trung gian này có thể thực hiện các loại phản ứng sau: decarboxyl hóa, racemic hóa, tách loại, thế, retro-aldol, retro-Claisen, trao đổi amine (transamination).

L FI CI A OF

NH

ƠN

Quá trình racemic hóa các amino acid cũng thường thấy trong tự nhiên, quá trình này thường phụ thuộc vào cofactor pyridoxal và thông qua con đường tạo nội aldimine. Phản ứng thường được viết đơn giản như sau.

DẠ

Y

KÈ

M

QU Y

Cần nhớ rằng nhóm carboxylate không phải là một nhóm hút điện tử tốt để ổn định dạng enolate, vì thế trong đa số các phản ứng sinh hóa, để tăng tính acid của hydro α, sự tạo thành nhóm chức imine là điều cần thiết. Sau đó, sự tách hydro α tạo thành trung gian quinonoid bền vững để ổn định carbanion. Sự proton hóa lúc sau khiến cấu hình của carbon α thay đổi, rồi cuối cùng là sự trả amino acid đã được racemic hóa về môi trường.

Y

DẠ M

KÈ QU Y ƠN

NH

FI CI A

OF

L

Để đơn giản hóa cơ chế phản ứng, bắt đầu từ phần sau, chúng ta chỉ tập trung vào quá trình trọng tâm làm thay đổi cấu trúc chất nền, mà không bàn tới quá trình tạo các aldimine nữa.

KÈ

M

QU Y

NH

ƠN

OF

FI CI A

L

Amino acid muốn decarboxyl hóa nhất thiết phải tạo thành imine để ổn định carbanion tạo thành. Không có sự có mặt của cofactor PLP, phản ứng này không thể xảy ra được.

Câu 9: Hãy đề xuất cơ chế cho một số quá trình sau: Phản ứng retro aldol phụ thuộc PLP (serine hydroxymethyl transferase, EC 2.1.2.1)

DẠ

Y

1)

L FI CI A

OF

2) Phản ứng retro-Claisen trong chu trình thoái hóa threonine. (EC 2.3.1.29)

NH

ƠN

Một quá trình quan trọng khác đó chính là sự trao đổi nhóm amine phụ thuộc PLP. Đây là quá trình quan trọng trong chuyển hóa các amino acid nhờ các enzyme transaminase. Nhóm amine bậc 1 có thể được vận chuyển đến các hợp chất ketone hoặc aldehyde để tạo thành amine bậc 1 mới và hợp chất carbonyl mới.

Phản ứng trao đổi amine (transamination) được biểu diễn ngắn gọn như sau.

DẠ

Y

KÈ

M

QU Y

Giai đoạn 1 là quá trình thay đổi vị trí nối đôi của nhóm imine trong nội aldimine rồi thủy phân để tạo thành pyridoxamine phosphate (PMP) và α-keto acid.

FI CI A

L

Ở giai đoạn 2, PMP sẽ tấn công vào các hợp chất carbonyl khác để tạo thành các aldimine mới. Trong giai đoạn này, vị trí nối đôi của nhóm imine một lần nữa bị thay đổi đổi tạo thành sản phẩm nội aldimine mới.

Quá trình được miêu tả vắn tắt như sau.

NH

ƠN

OF

Cuối cùng, imine này bị thủy phân để trả lại PLP và tạo thành amine mới. Chúng ta có thể tóm tắt quá trình vận chuyển nhóm amine theo sơ đồ sau:

QU Y

Câu 10: L-Serine (C3H7NO3) là một α-amino acid chứa nhóm alcol rất phổ biến trong tự nhiên. Dưới tác dụng của serine dehydratase (EC 4.2.1.13) phụ thuộc pyridoxal phosphate, hợp chất này bị tách nước tạo thành trung gian kém bền, sau đó tiếp tục phân hủy thành chất X (C3H4O3) và amoniac. Hãy xác định cấu trúc của L-serine và X, từ đó đề xuất cơ chế thoái hóa serine bởi enzyme phụ thuộc PLP này.

Y

KÈ

M

Trong nhiều vi khuẩn, sự tổng hợp cysteine từ serine thông qua sự thế β phụ thuộc PLP (EC 2.5.1.47).

DẠ

Sự ổn định điện tử nhờ hệ cofactor PLP hiệu quả đến mức người ta quan sát thấy có những quá trình tách và thế γ trong chuỗi tổng hợp sinh hóa. Một ví dụ cho quá trình tách γ là phản ứng thoái hóa methionine nhờ enzyme cystathionine γ-lyase (EC 4.4.1.1):

L FI CI A

ƠN

OF

Một ví dụ khác cho sự thế γ được tìm thấy trong chuỗi thoái hóa methionine (EC 4.2.1.22):

2.8.2.

Thiamine diphosphate (Vitamin B1)

NH

Câu 11: Đề xuất cơ chế cho quá trình tách γ (EC 4.4.1.1) và thế γ (EC 4.2.1.22) vừa nêu trên.

M

QU Y

Thiamine diphospahte (ThDP, đôi khi được kí hiệu là TPP hay ThPP) là coenzyme có vai trò ổn định trung gian carbanion chìa khóa cho một số phản ứng liên quan đến nhóm cabonyl. Hợp phần quan trọng nhất của phân tử ThDP là dị vòng thiazole.

DẠ

Y

KÈ

Trong hóa hữu cơ, người ta thường gọi các xúc tác loại này là NHC (N-herocyclic carbene – carbene dị vòng chứa nitrogen). Sở dĩ gọi như vậy là vì nguyên tử hydro trên khung thiazole có tính acid yếu (pKa khoảng 18), dễ dàng tách đi tạo thành một loại carbene bền vững hay còn gọi là ThDP ylide.

Lý do mà hydro này có tính acid một phần là do nguyên tử lưu huỳnh lân cận có khả năng làm bền được một phần điện tích âm do có orbital d. Một lý do khác là do điện tích dương trên nitrogen giúp ổn định điện tích âm của base liên hợp.

FI CI A

L

ThDP đóng vai trò quan trọng trong nhiều phản ứng khá thú vị, thông thường hết là các phản ứng cắt đứt liên kết cạnh nhóm carbonyl của ketone hoặc aldehyde.

OF

Hãy quan sát phản ứng decarboxyl hóa giả thiết sau:

Hi vọng rằng bạn nhanh chóng nhận ra rằng đây là một phản ứng vô lý, bởi vì trung gian tạo thành từ sự decarboxyl này tạo thành điện tích âm trên carbon của nhóm ketone rất kém bền và thực tế không có xu hướng tạo thành chất trung gian như vậy.

NH

ƠN

Tuy nhiên, trong chính tế bào cơ thể bạn lại có thể xảy ra quá trình như trên xúc tác bởi enzyme pyruvate decarboxylase (EC 4.1.1.1):

DẠ

Y

KÈ

M

QU Y

Bằng một cách nào đó mà enzyme giúp cho phản ứng dường-như-không-thể-diễn-ra này có thể xảy ra được.

Tại sao lại như vậy? Câu trả lời nằm ở sự có mặt của coenzyme thiamine diphosphate.

Hãy nhìn kĩ vào trung gian sau bước 1, vòng thiazole lúc này đóng vai trò như nhóm hút điện tử để làm bền carbanion tạo thành sau quá trình decarboxyl hóa ở bước 2. Trong bước 3, đôi điện tử trên nitrogen (thực

tế là từ quá trình decarboxyl tạo thành) tấn công vào nhóm chức acid trong tâm hoạt động của enzyme.

Bước 4 là quá trình phân cắt để trả về thiamine tự do ban đầu.

FI CI A

L

Câu 12: Thiamine còn có thể xúc tác cho các quá trình decarboxyl hóa – cộng. Phản ứng tổng quát được biểu diễn như sau:

Đề xuất cơ chế phản ứng cho quá trình này.

NH

ƠN

OF

Enzyme pyruvate dehydrogenase là một trong những enzyme trọng tâm nhất trong các quá trình chuyển hóa trung tâm: bằng cách chuyển hóa pyruvate thành acetyl-CoA, quá trình này kết nối với chu trình đường phân (nơi glucose bị cắt thành pyruvate) với chu trình Krebs (chu trình acid citric) nhờ sự tạo thành acetylCoA. Năm coenzyme chính tham gia vào phản ứng này: coenzyme A, nicotinamide, thiamine diphosphate, FAD và lipoamide, một coenzyme mới với chúng ta tính đến thời điểm này.

DẠ

Y

KÈ

M

QU Y

Quan sát sơ bộ có thể thấy hợp chất pyruvate này sẽ bị oxy hóa. Phản ứng bắt nguồn từ nhóm ketone và kết thúc bằng sự tạo thành thioester và xuất ra khí CO2. Dễ dàng nhận ra chất oxy hóa cho quá trình này là NAD+, nhưng sự khử hóa NAD+ không hề đơn giản, mà nó có liên quan đến cầu nối disulfide trong coenzyme khách mời ở đây là lipoamide, một hợp phần gắn với lysine trong vùng hoạt động của enzyme bằng liên kết amide.

Giai đoạn đầu của phản ứng là sự decarboxyl hóa nhờ ThDP gồm 2 bước mà ta đã thảo luận ở phần trên.

L FI CI A

M

QU Y

NH

ƠN

OF

Giai đoạn 2 là sự tấn công vào cầu nối disulfide của lipoamide để tạo thành một thioester tạm thời, sau đó trao đổi với CoASH để tạo thành acetyl-CoA và dihydrolipoamide (dạng khử).

DẠ

Y

KÈ

Khoan đã! Mọi thứ chưa dừng lại ở đây! Để xúc tác cho quá trình sau, hợp phần lipoamide của enzyme cần được hoàn nguyên lại, và quá trình này được xảy ra nhờ sự trao đổi disulfide với cầu nối disulfide có sẵn trong enzyme, sau đó cầu nối này sẽ được hoàn nguyên nhờ sự oxy hóa của cofactor FAD.

L FI CI A OF ƠN

QU Y

NH

Cuối cùng, FAD được tái tạo nhờ sự oxy hóa FADH2 bởi NAD+ (quá trình này tuy kém thuận lợi về mặt năng lượng, nhưng sự oxy hóa tạo cầu disulfide trước đó có thể bù đắp năng lượng cho phản ứng này).

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

[1] Soderberg, Timothy, "Organic Chemistry with a Biological Emphasis Volume I" (2016). Chemistry Faculty. 1.

DẠ

Y

KÈ

M

[2] Soderberg, Timothy, "Organic Chemistry with a Biological Emphasis Volume II" (2016). Chemistry Faculty. 2.