CÂN BẰNG hóa học TRONG SINH học

1
Báo cáo nhóm 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

CÂN BẰNG HÓA HỌC TRONG SINH HỌC
Giáo viên hướng dẫn: NGUYỄN BẢO VIỆT

ĐÀO NGỌC DUY
Sinh viên thực hiện: TRƯƠNG THỊ PHƯƠNG LINH

MSSV: 09139091

ĐỖ XUÂN ĐỊNH

MSSV: 09139034

LÊ THỊ NHUNG

MSSV: 09139116

NGUYỄN THANH PHÚ

MSSV: 09139122

NGUYỄN THỊ TRANG

MSSV: 09129193

BÙI BẢO HIẾU

MSSV: 09139055


2
Báo cáo nhóm 1

MỤC LỤC
1.GIỚI THIỆU
2.CÂN BẰNG HÓA HỌC
2.1.Cân bằng hóa học là gì?
2.2.Sự chuyển dịch cân bằng hóa học
2.3.Hằng số cân bằng hóa học
2.4.CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CÂN BẰNG HÓA HỌC
2.4.1.Ảnh hưởng của nồng độ
2.4.2.Ảnh hưởng của áp suất
2.4.3.Ảnh hưởng của nhiệt độ
2.4.4.Ảnh hưởng của chất xúc tác
3. MỘT SỐ VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN CÂN BẰNG HÓA HỌC
3.1.SINH HỌC HỆ ĐỆM
3.1.1.Dung dịch đệm là gì?
3.1.2. Hệ thống đệm dihydrogen phosphate
3.1.3.Hệ thống axit carbonic
3.1.4.Hệ đệm protein
3.2. CHẤT XÚC TÁC SINH HỌC
3.2.1. Enzym
3.2.1.1. Enzym là gì?
3.2.1.2.Tính xúc tác của enzyme

3.2.1.3. Điều kiện để một phản ứng hóa học xảy ra
3.2.1.4. Cơ chế xúc tác chung của enzyme
4. MỘT SỐ ỨNG DỤNG CÂN BẰNG HÓA HỌC TRONG SINH HỌC
4.1.THẬN ĐIỀU HÒA CÂN BẰNG ACID-BASE TRONG MÁU
4.1.1. Bài tiết H+
4.1.2.Tái hấp thu HCO34.1.3.Tổng hợp và bài tiết NH3
4.2.THẬN ĐIỀU HÒA HUYẾT ÁP
4.3.XỬ DỤNG ENZYM TRONG XỬ LÝ PHẾ THẢI
4.3.1. Đối với một số ion kim loại
4.3.2. Đối với phế phẩm là polysaccharide thực vật
4.3.3. Khử độc kim loại nặng
4.3.4. Xử lý các chất có hoạt tính bề mặt
4.3.5. Xử lý chất thải xyanua
TÀI LIỆU THAM KHẢO


3
Báo cáo nhóm 1

1.GIỚI THIỆU
Trong tất cả các phản ứng hóa học điều có sự cân bằng giữa các chất hóa học với
nhau,trong lĩnh vực sinh học cũng vậy.
Trong thực tế, một trong những biện pháp tăng nồng độ của chất phản ứng và các sản
phẩm sau khi phản ứng sẽ đạt đến trạng thái cân bằng
Nói chung, trong các phản ứng liên quan đến nhiều hơn một chất phản ứng hoặc sản
phẩm, những thay đổi trong nồng độ của bất kỳ chất phản ứng hoặc sản phẩm sẽ ảnh
hưởng đến nồng độ ở trạng thái cân bằng của tất cả các chất phản ứng và các sản
phẩm
Vì vậy trạng thái cân bằng đặc biệt là cân bằng hóa học trong lĩnh vực sinh học là rất
quan trọng và cần thiết

4
Báo cáo nhóm 1

2.CÂN BẰNG HÓA HỌC
2.1.CÂN BẰNG HÓA HỌC LÀ GÌ ?
Theo động hóa học: thì phản ứng chia làm 2 loại :
- Phản ứng một chiều không thuận nghịch:
A
B
VD:

2KClO3

3O2 + 2KCl

- Phản ứng 2 chiều thuận nghịch :
A
VD:

B

CO2 + H2O

H2CO3

Xét phản ứng tổng quát:
k1 thuận
A+B

C+D
k2 nghịch

k1 , k2 : hằng số tốc độ của phản ứng thuận nghịch.
Ta có: tốc độ phản ứng :
v1 = k1 [A] [B]
v2 = k2[ C][D]
Mới đầu chỉ có A và B , nồng độ A và B lớn nhất nên v1 cực đại, mặt khác nồng độ
C và D bằng 0 nên v2 cũng bằng 0.
Khi A và B phản ứng với nhau tạo thành C và D thì nồng độ A và B giảm dần, nồng
độ C và D tăng dần, do đó v1 giảm dần, và v2 tăng dần. Đến một lúc nào đó thì v1 = v2
, đó là trạng thái cân bằng động, phản ứng vẫn tiếp tục xảy ra theo hai chiều nhưng
tốc độ phản ứng theo chiều thuận bằng tốc độ phản ứng theo chiều nghịch.
Ta có:
V1 =V2
<=>

k1

[C] [D]

k1 [A] [B] = k2 [C] [D] <=> ---- = ----------- = KCB
k2
Vậy:

[A] [B]


5

Báo cáo nhóm 1

Cân bằng hóa học là sự cân bằng về số lượng nguyên tố của các chất trong hai vế của
một phản ứng hóa học, là trạng thái của phản ứng thuận nghịch khi tốc độ phản ứng
thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch. Ở trạng thái cân bằng nồng độ các chất không
đổi.
Cân bằng hóa học được đặc trưng bởi hệ số cân bằng (Keq),Cân bằng hóa học là cân
bằng động.
2.2.SỰ CHUYỂN DỊCH CÂN BẰNG HÓA HỌC
Sự chuyển dịch cân bằng hóa học là sự di chuyển từ trang thái cân bằng này sang
trạng thái cân bằng khác do tác động của các yếu tố từ bên ngoài lên cân bằng.
2.3.HẰNG SỐ CÂN BẰNG
khi phản ứng thuận nghịch ở trạng thái cân bằng, nồng độ các chất trong phản ứng
không biến đổi nữa (nếu điều kiện phản ứng không biến đổi), nên ta có thể đưa ra
một đại lượng đặc trưng cho cân bằng, đó là hằng số cân bằng.
Hằng số cân bằng (Keq) phụ thuộc vào bản chất của các chất phản ứng, nhiệt độ, và áp
lực (đặc biệt là trong các phản ứng liên quan đến khí). Trong điều kiện vật lý tiêu
chuẩn (25 ° C và áp suất 1 atm), Keq là luôn luôn giống nhau cho một phản ứng nhất
định, có hay không có sự hiện diện một chất xúc tác.
Đối với phản ứng đơn giản :
A+B⇌X+Y
hằng số cân bằng được xác định bằng:
[X][Y]
Keq=

(1)

[A][B]

Trường hợp tổng quát :

aA + bB + cC
Hằng số cân bằng được xác định bởi:
Keq=

[X]x[Y]y[Z]z
[A]a[B]b[C]c

xX + yY + zZ

(2)

(1)


6
Báo cáo nhóm 1
(3)

Trong các phản ứng tổng quát (2) ở trên, tốc độ của phản ứng thuận (từ trái sang
phải) được xác định:
Rateforward = kf[A]a[B]b[C]c
Trong đó k f là hằng số tốc độ phản ứng cho phản ứng thuận.
Tương tự như vậy, tốc độ của phản ứng nghịch (phải sang trái) được xác định:
Ratereverse = kr[X]x[Y]y[Z]z
k r là hằng số tốc độ phản ứng cho phản ứng nghịch. Khi đạt ở trạng thái cân bằng thì
tốc độ phản ứng giữa phản ứng thuận và ngịch là bằng nhau.
Chúng ta có:
kf[A]a[B]b[C]c = kr[X]x[Y]y[Z]z

So sánh biểu thức với phương trình ( 3), chúng ta thấy mối quan hệ quan trọng

⇔

kf
Keq=

(4)

kr

Nói cách khác, hằng số cân bằng bằng tỷ lệ của các hằng số tốc độ phản ứng và
ngược lại. Bởi vì chất xúc tác làm tăng tốc độ của các phản ứng thuận đồng thời làm
tăng tốc độ phản ứng nghịch vì cùng một yếu tố, nó không làm thay đổi giá trị của
kf/kr. Vì vậy, như đã nói ở trên, các chất xúc tác không làm thay đổi hằng số cân
bằng, mà chỉ phụ thuộc vào tính chất hóa học của các phân tử có liên quan, và vào
nhiệt độ và áp suất.
VD: cho 0.6703mol/l khí N2O4 vào một bình kính 250C xảy ra phản ứng sau:
N2O4 ⇌2NO2

(1)


7
Báo cáo nhóm 1

Khi phản ứng ở trang thái cân bằng thu được 0.0546mol/l khí NO2 và còn lại 0.643
mol/l khí N2O4, khi đó tỉ số sau là một hằng số:

[NO2] 2

(0.0546)2

----------- = -------------- = 4.64x10-3
[ N2O4]

0.6430

2.4. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CÂN BẰNG HÓA HỌC
2.4.1. Ảnh hưởng của nồng độ
Xét hệ cân bằng sau trong một bình kín ở nhiệt độ cao và không đổi:
CO2 (k)

+ C (r)

2CO (k)

Ở trạng thái cân bằng, Vt = Vn: nồng độ các chất không biến đổi nữa. Nếu ta cho
thêm vào hệ một lượng khí CO2 , nồng độ CO2 tăng lên làm cho Vt > Vn.
Vậy khi thêm CO2 vào hệ cân bằng, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều từ trái sang
phải.
Kết luận: Khi tăng hoặc giảm nồng độ một chất trong cân bằng, thì cân bằng chuyển
dịch theo chiều làm giảm tác động của việc tăng hoặc giảm chất đó.
2.4.2.Ảnh hưởng của áp suất
Xét hệ cân bằng sau trong một bình kín ở nhiệt độ cao và không đổi:
2NO2 (k)

N2O4 (k)

Nếu ta cho vào hệ 1 mol NO2, áp suất khí trong hệ tăng lên làm cho Vt > Vn.
Vậy khi thêm 1mol NO2 vào hệ cân bằng, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều từ trái

sang phải.
Kết luận: khi tăng hoặc giảm áp suất chung của hệ cân bằng, thì bao giờ cũng chuyển
dịch theo chiều làm giảm tác động của việc tăng hoặc giảm áp suất đó.


8
Báo cáo nhóm 1

2.4.3.Ảnh hưởng của nhiệt độ
Xét hệ cân bằng sau trong một bình kín :
N2O4 (k)

2NO2 (k)

Khi hỗn hợp khí trên đang ở trạng thái cân bằng, nếu đun nóng hỗn hợp khí bằng
cách ngâm bình vào nước sôi, màu nâu đỏ của của hỗn hợp khí đậm lên, nghĩa là cân
bằng chuyển dịch theo chiều thuận, chiều của phản ứng thu nhiệt, và ngược lại nếu ta
làm lạnh đi thì hỗn hợp chuyển dịch theo chiều nghịch, chiều của phản ứng tỏa nhiệt.
Kết luận: Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều phản ứng thu nhiệt và
ngược lại, cân bằng chuyển dịch theo chiều phản ứng tỏa nhiệt.
2.4.4.Ảnh hưởng của chất xúc tác
Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng thuận và tốc độ phản ứng nghịch với số lần
bằng nhau, nên chất xúc tác không ảnh hưởng đến cân bằng hóa học.
Kết luận: Một phản ứng thuận nghịch đang ở trang thái cân bằng khi chịu một tác
động từ bên ngoài như biến đổi nồng độ, áp suất, nhiệt độ, thì cân bằng sẽ chuyển
dịch theo chiều làm giảm tác động bên ngoài đó.
3. MỘT SỐ VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN CÂN BẰNG HÓA HỌC
3.1.Sinh học hệ đệm
3.1.1.Dung dịch đệm là gì?
Dung dịch đệm là một dạng dung dịch lỏng chứa đựng trong đó một hỗn hợp axit yếu

và bazơ liên hợp của nó hoặc bazơ yếu và axit liên hợp.
Tính chất đặc biệt của dung dịch này là khi ta cho thêm vào một lượng chất có tính
bazơ hay axit thì pH của dung dịch mới thay đổi rất ít so với dung dịch khi chưa có
tác động.
Trong tất cả các sinh vật đa bào, các chất lỏng trong các tế bào và các chất lỏng xung
quanh các tế bào có độ pH đặc trưng và gần như không đổi . pH này được duy trì
bằng một số cách khác nhau, và một trong những cách quan trọng nhất là thông qua
hệ thống đệm. Hai hệ thống quan trọng trong đệm sinh học là hệ thống dihydrogen
phosphate và các hệ thống axit cacbonic.
3.1.2.Hệ thống đệm dihydrogen phosphate


9
Báo cáo nhóm 1

Hệ thống đệm phosphate hoạt động trong dịch nội bào của tất cả các tế bào. Hệ thống
đệm bao gồm các ion phosphate dihydrogen (H2PO4-) là nguồn cung cấp ion H+ (acid)
và các ion hydrogen phosphate (HPO42-) là chất nhận-ion H+ (bazo) . Hai ion trong
trạng thái cân bằng với nhau và được xác định bởi các phương trình hóa học dưới
đây.
H 2 PO 4 - (aq)

H + (aq) + HPO 4 2 - (aq)

Nếu các ion H+ thêm vào dịch tế bào, nó được sử dụng trong phản ứng với HPO 42 tạo ra HPO4- và cân bằng chuyển sang bên trái.
Nếu các ion H+ được lấy bớt khỏi dịch tế bào, thì phản ứng sẽ tạo ra H+ và cân bằng
dịch chuyển sang bên phải.
Ta có hệ số cân bằng của phản ứng:

[H+][HPO42-]

Keq=

(1)

(1)

[H2PO4-]
Giá trị của Ka cho trạng thái cân bằng này là 6,23 × 10-8 ở 25 ° C.
Khi nồng độ của H2PO4- và HPO42 – bằng nhau, giá trị của nồng độ mol của các ion
H+ bằng với giá trị của các hằng số cân bằng, khi đó độ pH bằng pKa, cụ thể là 7,21 .
Bộ đệm hiệu quả nhất khi duy trì độ pH gần với giá trị của pKa.
3.1.3.Hệ thống axit carbonic
Bộ đệm axit carbonic đóng một vai trò quan trọng trong việc duy trì độ pH trong
máu(huyết tương).
Trong hệ thống này axit carbonic (H 2 CO 3) là nguồn cung cấp ion H+ (axit) và ion
hydrogen carbonate (HCO 3 -) là chất nhận H+ (bazơ).
H 2 CO 3 (aq)

H + (aq) + HCO 3 - (aq)

Bộ đệm này chức năng tương tự như bộ đệm phosphate . Các H+ được sử dụng bởi
HCO3- và OH- được sử dụng bởi H2CO3. Giá trị của K a cho trạng thái cân bằng này
là 7,9 × 10 -7, và Kp là 6,1 ở nhiệt độ cơ thể.

⇔


10
Báo cáo nhóm 1

Nồng độ của các ion hydro cacbonat và axit cacbonic được điều khiển bởi hai hệ
thống sinh lý độc lập. Nồng độ axit cacbonic được điều khiển bởi hô hấp, đó là thông
qua phổi. Carbonic acid ở trạng thái cân bằng với khí carbon dioxide hòa tan.
H 2 CO 3 (aq)

CO 2 (aq) + H 2 O (l)

Một enzyme được gọi là carbonic anhydrase xúc tác chuyển đổi của axit cacbonic và
carbon dioxide hòa tan. Trong phổi, carbon dioxide hòa tan dư được thở ra như khí
carbon dioxide.
CO 2 (aq)

CO 2 (g)

Nồng độ của ion cacbonat hydro được kiểm soát thông qua thận. Lượng dư các ion
hydro cacbonat được bài tiết trong nước tiểu.
Nồng độ cao hơn nhiều của ion cacbonat hydro so với axit cacbonic trong huyết
tương cho phép bộ đệm cân bằng tốt hơn khi các chất được đưa vào máu. Quá trình
trao đổi chất bình thường xảy ra chủ yếu ở các chất có tính axit cacboxylic như axit
lactic (HLac). Những axit này phản ứng với ion hydro cacbonat và axit cacbonic hình
thức .
HLac (aq) + HCO 3 - (aq)

Lạc - (aq) + H 2 CO 3 (aq)

Các axit cacbonic được chuyển đổi thông qua hoạt động của enzyme anhydrase
carbonic trong dung dịch nước và carbon dioxide.
H2CO 3 (aq)

CO 2 (aq) + H 2 O (l)

Sự gia tăng CO 2 (aq) nồng độ kích thích tăng thở, và lượng khí carbon dioxide dư
thừa được thải vào không khí trong phổi .
Ngoài hai hệ đệm nói trên, ta còn một hệ đệm nữa cũng không kém phần quan trọng,
đó là hệ đệm protein.
3.1.4.Hệ đệm prôtêin :
Prôtêin trong huyết tương tồn tại dưới ba dạng chủ yếu là abumin, glôbulin và
fibrinôgen; trong đó thuộc hệ đệm có anbumin, chiếm tới 60% tổng số prôtêin huyết
tương. Vai trò đệm của anbumin là vừa điều chỉnh tính kiềm nhờ gốc -COOH (gốc


11
Báo cáo nhóm 1

cacboxyl) vừa điều chỉnh tính axit nhờ gốc -NH2 (gốc amin). Ngoài nhiệm vụ đệm,
anbumin còn giữ vai trò quan trọng trong việc duy trì thẩm áp máu. Nhờ đó mà
anbumin giúp điều chỉnh lượng nước giữa máu và mô. Như vậy anbumin giúp cho
việc kiểm soát khối lượng máu
3.2. CHẤT XÚC TÁC SINH HỌC :
Phần lớn các phản ứng trong cơ thể đều có chất xúc tác .
Chất xúc tác sinh học là sản phẩm sinh vật, lượng nhỏ nhưng có khả năng làm tăng
nhanh phản ứng, cuối cùng giữ nguyên sau phản ứng.
Có 3 loại chất xúc tác sinh học là Vitamin, Enzym, Hormon (ống tiêu hóa). Trong 3
chất này, enzym quan trọng nhất, nó là trung tâm trực tiếp tham gia các phản ứng hoá
sinh.
Ví dụ : xét phản ứng :
A (cơ chất)

B (sản phẩm)

- Gọi phản ứng này là phản ứng enzym vì có enzym xúc tác.
- Trong quá trình phản ứng, enzym có thể thay đổi nhưng cuối cùng vẫn là enzym.
Chú ý :
+ Khả năng xúc tác của enzym rất lớn, có thể làm tăng nhanh phản ứng hàng triệu
lần.
Ví dụ : CO2 + H2O

H2CO3

Enzym là carbonic anhydrataz (mất nước của CO2)
Một phân tử enzym này có thể hydrat hóa 105 phân tử CO2 trong 1 giây làm phản
ứng nhanh hơn 10 triệu lần so với phản ứng không được xúc tác.
Enzym không làm thay đổi hệ số cân bằng mà chỉ làm cho phản ứng mau đạt đến
trạng thái cân bằng.
Enzym có tính đặc hiệu (chuyên biệt) rất cao, nghĩa là xúc tác những phản ứng nhất
định với những cơ chất nhất định.
H2 O


12
Báo cáo nhóm 1

Tinh bột ------------- > Maltoz, Glucoz
α Amylaz

↓ Maltaz

Glucoz, Glucoz
3.2.1.ENZYM
3.2.1.1.Enzym là gì?

Enzym là chất xúc tác sinh học, nhờ có enzym mà các phản ứng sinh hoá học xảy ra
với một tốc độ rất nhanh, chính xác, nhịp nhàng, hiệu quả cao và tiết kiệm năng
lượng, là protein có khả năng xúc tác đặc hiệu cho các phản ứng hóa học. Chúng thúc
đẩy một phản ứng xảy ra mà không có mặt trong sản phẩm cuối cùng. Enzyme có
trong nhiều đối tượng sinh học như thực vật, động vật và môi trường nuôi cấy vi sinh
vật

Hình ảnh biotin

Hình ảnh coenzyme A
3.2.1.2 Tính xúc tác của enzym
Tính xúc tác sinh học của enzym thể hiện chính ở chỗ enzym với nồng độ (số lượng)
rất nhỏ cũng có khả năng tăng tốc độ phản ứng sinh hoá học lên hàng ngàn,vạn lần so


13
Báo cáo nhóm 1

với điều kiện bình thường. Nhưng cũng như các chất xúc tác khác, bản thân enzym
không tham gia vào sản phẩm cuối cùng của phản ứng.
3.2.1.3. Điều kiện để một phản ứng hoá học xảy ra
Ta lấy ví dụ: C6H12O6 + O2 -> CO2 + H2O + 688Kcal
(Đây không phải là sự cháy trong điều kiện bình thường)
Để hiểu cơ chế xúc tác của enzym, ta cần nhớ lại một số điều kiện nhiệt động học để
phản ứng tiến hành được. Tốc độ phản ứng hoá học của 2 chất A + B →AB phụ
thuộc vào các yếu tố sau:
- Nồng độ các chất tham gia phản ứng A và B
- Năng va chạm hữu hiệu giữa các phân tử
Ngoài ra, để phản ứng xảy ra được những phân tử chất tham gia phải ở trạng thái
kích động (tức là ở trạng thái hoạt hoá). Muốn đạt được điều kiện này cần nạp cho

phân tử cơ chất một nguồn năng lượng từ bên ngoài (dưới dạng nhiệt năng, điện năng
hoặc quang năng).
Chất xúc tác có 2 nhiệm vụ:
- Tăng nồng độ các chất tham gia phản ứng
- Làm cho phản ứng chóng đạt tới điểm thăng bằng động
Về cơ chế xúc tác sinh học của enzym người ta đề ra nhiều giả thuyết để giải thích,
nhưng đều thống nhất ở chỗ quá trình xúc tác bắt đầu bằng sự kết hợp giữa enzym và
cơ chất thành hợp chất trung gian.
E (enzym) + S (cơ chất)→ ES (hợp chất trung gian)
Cơ chất liên kết với enzym ở các trung tâm hoạt động. Sự liên kết này có tính chất
chọn lọc đặc biệt.
Ví dụ: Lấy hình mẫu esterase - enzym xúc tác sự thuỷ phân (hoặc tổng hợp) các este.

Nếu lấy benzoilcarbonyl thay enzym (C6H5 - CO - CH2OH) thì chất này sẽ tạo hợp
chất trung gian, giải phóng rượu:


14
Báo cáo nhóm 1

sau đó hợp chất trung gian dễ phân tán với sự có mặt của H2O thành acid và
benzoilcarbonyl nguyên như cũ.

Nhờ có benzoicarbonyl mà trạng thái cân bằng động của phản ứng trên xảy ra với tốc
độ gấp nhiều lần.
Theo điều kiện hoạt động người ta chia enzym ra làm 2 loại:
- Enzym không cần cộng tố ( cofactor) đó là các enzym có bản chất là protein thuần,
chúng gồm các enzym thủy phân. Ví dụ : pepsin, trypsin, cathepsin.
- Enzym cần cộng tố: đó là các enzym protein tạp gồm 2 phần : protein thuần +
cộng tố (cofactor).

3.2.1.4 Cơ chế xúc tác chung của enzym:
A). Phức hợp enzym cơ chất và năng lượng hoạt hóa:
Phức hợp ES: hợp chất trung gian : trong phản ứng enzym có sự tạo thành phức hợp
tạm thời ES ; sau đó S ( Substance) -----> sản phẩm P ( product) và enzym giải phóng
tự do.
E +

ES -------> p + E

+ Năng lượng hoạt hóa: là năng lượng cần thiết đưa vào để nâng phân tử lên trạng
thái kết hợp hay hoạt hóa.
A + B

C + D

( GAB)
GAB

( GCD)
>

GCD ----> ∆G = GCD - GAB < 0 => trên nguyên tắc phản ứng

có thể tự xảy ra được nhưng thực tế phản ứng chỉ xảy ra khi cơ chất phản ứng ở
trạng thái hoạt hóa ( kích thích)


15
Báo cáo nhóm 1

Hình 3. Đồ thị năng lượng hoạt hóa
B).Tính đặc hiệu của enzym
* Đặc hiệu cơ chất : enzym tác động đặc hiệu lên 1 cơ chất (đặc hiệu tuyệt đối) hay
một số chất có cấu tạo phân tử gần giống nhau.
VD:
- Urêaz :

Urê

+ H2O

- Sacaraz : Saccaraz + H2O
- Amylaz : Tinh bột, glycogen + H2O

CO2 + NH3
Fructoz + Glucoz
Maltoz +Glucoz

* Đặc hiệu lập thể : enzym chỉ tác dụng lên một trong hai dạng đồng phân hoạt
quang. Thí dụ hầu hết enzym chuyển hóa acid amin chỉ tác dụng lên L-acid amin mà
không tác dụng lên D-acid amin
* Đặc hiệu phản ứng : một cơ chất biến hóa theo nhiều phản ứng khác nhau, mỗi
phản ứng có enzym đặc hiệu.
Thí dụ 3 phản ứng của acid amin :
Oxy hóa nhờ oxydaze :


16
Báo cáo nhóm 1

CH3NH2CHCOOH + ½ O2 →

CH3COCOOH + NH3

Khử carboxyl nhờ decarboxylaze :
CH3NH2CHCOOH → CH3CH2NH2

+ CO2

Chuyển amin nhờ transaminaz :
NH2CH2COOH+ C2H5COCOOH

HCOCOOH + C2H5NH2CHCOOH

C). Các yều tố ảnh hưởng đến tốc độ của phản ứng enzyme
Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng của enzyme, như là nồng độ
enzyme, nồng độ cơ chất, chất kìm hãm, nhiệt độ, PH, ánh sáng
* xét ảnh hưởng của nhiệt độ và pH.
C1). Ảnh hưởng cuả nhiệt độ
Ta có thể tăng vận tốc của một phản ứng hóa học bằng cách tăng nhiệt độ môi
trừơng, hiện tượng này tuân theo quy luật Vant’-Hoff. Điều này có nghĩa khi tăng
nhiệt độ lên 100C thì tốc độ phản ứng tăng lên khỏang 2 lần.
Đối với phản ứng do enzyme xúc tác cũng có thể áp dụng được quy luật này nhưng
chỉ trong một phạm vi nhất định,vì bản chất enzyme là protein.Khi ta tăng nhiệt độ
lên trên 40-500C xảy ra quá trình phá huỷ chất xúc tác. Sau nhiệt độ tối ưu tốc độ
phản ứng do enzyme xúc tác sẽ giảm. Nhờ tồn tại nhiệt độ tối ưu người ta phân biệt
phản ứng hoá sinh với các phản ứng vô cơ thông thường.
Mỗi enzyme có một nhiệt độ tối ưu khác nhau, phần lớn phụ thuộc nguồn cung cấp
enzyme, thông thường ở trong khoảng từ 40-600C , cũng có enzyme có nhiệt độ tối
ưu rất cao như các enzyme của những chủng ưa nhiệt. Các chủng vi sinh vật ưa nhiệt,

đăc biệt các vi khuẩn chịu nhiệt có chứa enzyme chịu nhiệt cao.


17
Báo cáo nhóm 1

Hình 6.10. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên họat độ enzyme
C2). Ảnh hưởng của pH
Sự phân li khác nhau của một phân tử protein ở các giá trị pH khác nhau làm thay đổi
tính chất của trung tâm liên kết với cơ chất và tính chất hoạt động của phân tử
enzyme.Điều này dẩn đến giá trị xúc tác khác nhau phụ thuộc vào giá trị pH. Như đã
biết mỗi enzyme có một pH tối ưu,mỗi enzyme có đường biểu diễn ảnh hưởng pH lên
vận tốc phản ứng do chúng xúc tác. Đường biểu diễn có dạng như hình sau:

Hình 6.10. Ảnh hưởng của pH lên họat độ enzyme

Ảnh hưởng của giá trị pH đến tác dụng enzyme có thể do các cơ sở sau:
1).Enzyme có sự thay đổi không thuận nghịch ở phạm vi pH cực hẹp.
2).Ở hai sườn của pH tối ưu có thể xảy ra sự phân ly nhóm prosthetic hay coenzyme.


18
Báo cáo nhóm 1

3).Làm thay đổi mức ion hoá hay phân ly cơ chất.
4). Làm thay đổi mức ion hoá nhóm chức nhất định trên phân tử enzyme dẫn đến làm
thay đổi ái lực liên kết của enzyme với cơ chất và thay đổi hoạt tính cực đại.
4. MỘT SỐ ỨNG DỤNG CÂN BẰNG HÓA HỌC TRONG SINH HỌC
4.1.THẬN ĐIỀU HOÀ CÂN BẰNG ACID - BASE CỦA MÁU.
Trong quá trình sống cơ thể luôn tạo ra các sản phẩm làm biến đổi tính hằng định của

nội môi. Trong đó có cân bằng acid-base. Người ta nhận thấy rằng phản ứng điều
chỉnh pH máu của thận có muộn hơn nhưng lại rất có hiệu qủa. Sự điều hoà được
thực hiện một cách hoàn hảo ở vai trò của thận trong sự bài tiết H+, tái hấp thu
HCO3- ,tổng hợp và bài tiết NH3.
4.1.1. Bài tiết H+
Trong điều kiện sinh lý, thận đào thải khỏi cơ thể phần thừa các acid do chính cơ thể
tạo ra trong quá trình chuyển hoá mà phổi không thể đảm nhiệm được.Thông thường
nước tiểu thải ra ngoài có phản ứng acid, pH của nó bằng 4,5 và nồng độ H + tự do tới
800 lần cao hơn huyết tương. Nồng độ H+ trong nước tiểu vào khoảng 0,03m Eq/l.
Bình thường hai thận thải 0,03-0,06 mEq H+/24h.
H+ được tạo ra do quá trình :

CO2 + H2O

H2CO3 (có enzym carboanhydrase xúc tác).

Sau đó:
H2CO3

H+ và HCO3-.

H+ được vận chuyển qua màng tế bào, có một phần nhỏ H+ khuếch tán qua màng tế
bào vào lòng ống lượn, có sự trao đổi với Na+ để cho Na+ tái hấp thu cùng HCO3- vào
dịch gian bào.
Sự bài tiết H+ có liên quan chặt chẽ với các hệ đệm của ống thận: hệ đệm phosphat,
hệ đệm các acid hữu cơ yếu (creatin, acid citric, acid lactic, các b oxy acid béo).
Trong đó hệ đệm phosphat là quan trọng nhất. Với hệ đệm phosphat khi pH máu
bằng 7,36 trong máu có 80% phosphat tồn tại ở dạng HPO4-- và 20% ở dạng HPO4-.

19
Báo cáo nhóm 1

Trong nước tiểu, khi pH nước tiểu =6,8 thì nồng độ các ion này ngang nhau, còn khi
pH nước tiểu=4,5 thì trên 99% phosphat tồn tại ở dạng H2PO4-.
Như vậy trong quá trình tạo thành nước tiểu acid đã xảy ra hiện tượng:

HPO4-- + H+ ----> H2PO4--(H2PO4-- bị siêu lọc ở cầu thận)

Một phân tử gam phosphat bị đào thải sẽ kéo theo là 0,8mEq H+ ra nước tiểu .
Như vậy trong quá trình tạo thành acid có sự kết hợp của H+ với các hệ đệm của ống
thận, hoặc làm giảm hoá trị của các anion, hoặc chuyển anion thành phân tử trung
tính. Phần thừa cation tương đối bị tái hấp thu vào máu (thường là Na+). Sự tạo thành
H+ trong tế bào ống lượn đã làm xuất hiện HCO3- và nó sẽ hấp thu vào máu cùng với
Na+.
4.1.2. Tái hấp thu HCO3-.
HCO3- là chất kiềm chủ yếu của huyết tương. Nó cần được tái hấp thu khi đào thải
acid và bị đào thải khi pH máu kiềm. Bình thường khi pH nước tiểu=4,5 thì HCO 3- có
hàm lượng quá thấp (chỉ có vết). Trong 24h có khoảng 400mEq HCO 3- bị siêu lọc,
mà chỉ có 1-2mEq HCO3- bị thải ra ngoài. Nghĩa là 99,9% HCO3- đã được tái hấp thu.
Sự tái hấp thu HCO3- có liên quan rất chặt chẽ với enzym carboanhydrase
(carboanhydrase nằm ở phía màng đỉnh tế bào ống lượn gần). Có một phần HCO 3được khuếch tán vào dịch gian bào, còn đại bộ phận HCO3- không phải được vận
chuyển trực tiếp qua màng tế bào mà thông qua sự khuếch tán dễ dàng của CO 2 vào
tế bào ống lượn.
CO2 là ở lòng ống lượn do tạo ra từ phản ứng:
H2CO3

H2O + CO2

H2CO3 được tạo thành trong lòng ống lượn từ phản ứng:

HCO3- + H+

H2CO3 (HCO3- bị lọc ở tiểu cầu)

Có một phần CO2 từ dịch gian bào khuếch tán vào tế bào.
Ở trong tế bào có quá trình cơ bản sau:


20
Báo cáo nhóm 1

CO2 + H2O
H2CO3

H2CO3 (có enzym carboanhydrase xúc tác).
H+ và HCO3-.

Chính HCO3- được tạo ra trong tế bào ống lượn mới được hấp thu vào dịch gian bào
rồi vào máu. Nếu tiêm vào cơ thể các chất ức chế enzym carboanhydase (ví dụ như
acetasolamid) thì nước tiểu có rất nhiều HCO3-. Trong trường hợp này ta lại thấy
HCO3- được tái hấp thu còn H+ lại được đào thải. Trong điều kiện nghỉ ngơi bình
thường nước tiểu gần như không có kiềm HCO3-.
4.1.3.Tổng hợp và bài tiết NH3.
Thận có một chức năng rất quan trọng là tạo ra NH3. Trên cơ sở đào thải NH3 thận
một lần nữa lại đào thải acid. Nồng độ NH3 máu động mạch thận rất thấp, ví dụ là 1
thì trong máu tĩnh mạch nồng độ của nó khá cao, là 2-3 còn đặc biệt nồng độ chất này
trong nước tiểu lên đến 100 lần cao hơn.
NH3 được tạo ra ở tế bào ống lượn là do quá trình khử amin rất mạnh của các tiền
chất là: glutamin, alanin, histidin, glycin, leucin, methionin, lysin ... Trong đó
glutamin là quan trọng nhất, 60% NH3 được tạo ra từ glutamin. NH3 sau khi được tạo

thành dễ dàng khuếch tán qua màng tế bào (NH3 dễ hoà tan trong lipid) vào lòng ống
lượn do chênh lệch phân áp.
Trong lòng ống lượn xảy ra phản ứng:
NH3+ +

H+

NH4+

Dạng NH3 đào thải ra theo nước tiểu là dạng kết hợp NH4Cl (Cl- được phân ly ra từ
NaCl trong lòng ống lượn) đây cũng là một cơ chế nữa có liên quan tới bài tiết H +
của thận. Trong 24 giờ đã có 40-60mEq NH4+ được đào thải ra ngoài theo nước
tiểu.
Người ta phải thừa nhận rằng một trong những chức năng quan trọng nhất của
thận là điều chỉnh cân bằng acid-base của máu.
Nếu pH máu tăng (nhiễm kiềm), thận sẽ giảm bài tiết H+, giảm tái hấp thu HCO3-,
giảm tổng hợp và bài tiết NH3làm cho nước tiểu kiềm.


21
Báo cáo nhóm 1

Nếu pH máu giảm (nhiễm acid), thận sẽ tăng bài tiết H+, tăng tái hấp thu HCO3-,
tăng tổng hợp và bài tiết NH3; nước tiểu rất acid. Vì vậy, thận đã đảm bảo cho pH
máu hằng định.
4.2. THẬN ĐIỀU HOÀ HUYẾT ÁP
Thận điều hoà huyết áp thông qua bộ máy cận tiểu cầu. Khi huyết áp giảm, khi lưu
lượng tuần hoàn qua thận giảm, tế bào hạt của bộ máy cận tiểu cầu tăng tiết Renin.
Renin có bản chất cấu trúc là một glucoprotein, bản chất chức năng là một enzym,
tác động lên một cơ chất có ở trong máu và bạch huyết do gan sản xuất là

angiotensinogen (bản chất là a2- globulin, có 14 acid amin), chuyển
angiotensinogen thành angiotensin I (10 acid amin).
Angiotensinogen

Angiotensin I (10 acid amin)

Dưới tác dụng của convertin enzym (CE), một enzym của phổi, angitensin I
chuyển thành angiotensin II (8 acid amin).
Angitensin I

Angiotensin II (8 acid amin).

Angiotensin II là một chất có hoạt tính sinh học cao, có khả năng gây co mạch
và kích thích quá trình tăng tổng hợp và bài tiết aldosteron. Aldosteron làm tăng
tái hấp thu Na+ ở ống lượn xa làm tăng Na+ máu và giữ nước. Chính vì hai tác
dụng này mà angiotensin II làm cho huyết áp tăng lên
Trong lâm sàng ta có thể gặp bệnh tăng huyết áp do viêm thận mạn tính, do chít
hẹp động mạch thận. Dựa theo cơ chế tăng huyết áp do angiotensin, người ta đã sử
dụng các thuốc ức chế enzym chuyển, ngăn cản quá trình tạo angiotensin II.
4.3.XỬ DỤNG ENZYM TRONG XỪ LÝ PHẾ THẢI
4.3.1.Đối với một số ion kim loại
Trong các enzyme peroxidase thì enzyme atalase, peroxidase và manganese
peroxidase được nghiên cứu nhiều phục vụ cho việc phát hiện một số ion kim loại
độc cho môi trường như: Hg+2, Pb+2, Cd+2, Cr+6, Mn+2.
Peroxidase củ cải ngựa (Horseradish peroxidase-HRP) có kí hiệu EC 1.11.1.7, tác
động như catalase, xúc tác phản ứng đặc hiệu. HRP là một trong những enzyme được


22
Báo cáo nhóm 1

nghiên cứu nhiều nhất có liên quan tới phương pháp xử lý rác thải bằng enzyme.
HRP có thể xúc tác phản ứng oxy hoá một phổ rộng các hợp chất thơm độc bao gồm
phenol, biphenol, aniline, benzidine và các hợp chất thơm dị vòng như
hydroxyquinoline và arylamine carcinogen như benzidine vànaphthylamine. Sản
phẩm phản ứng được polyme hoá thông qua quá trình không có enzyme xúc tác dẫn
tới hình thành các chất kết tủa có thể dễ dàng loại bỏ khỏi nước hoặc nước thải nhờ
quá trình lắng đọng hoặc lọc.
HRP đặc biệt phù hợp với xử lý nước thải bởi nó giữ nguyên hoạt tính ở phạm vi
rộng pH và nhiệt độ. HRP có khả năng làm kết tủa nhiều chất thải khó loại bỏ, cùng
với nhiều hợp chất dễ loại bỏ hơn bằng cách hình thành các polimer phức tạp có tính
chất tương tự như các sản phẩm polimer của các hợp chất dễ loại bỏ. Một hệ quả của
đặc tính này đối với các loại nước thải nguy hiểm được chứng tỏ khi người ta thấy
rằng các chất biphenyl được polichloride hoá có thể bị loại bỏ khỏi dung dịch khi kết
tủa với phenol.
4.3.2.Đối với phế thải là polysaccharide thực vật.
việc thủy phân cellulose, hay nói một cách đúng đắn hơn là thủy phân các
polysaccharide của thực vật, không phải chỉ một hoặc hai enzyme là đủ, mà cần tới
một hệ enzyme. Chính vì vậy, đã có nhiều nghiên cứu đề cập đến việc sản xuất các
chế phẩm bao gồm một số enzyme để xử lý phế thải là các polysaccharide thực vật.
Ví dụ:
chế phẩm enzyme từ nấm “Econase” được sử dụng để nghiên cứu hiệu quả của các
enzyme thuỷ phân cellulose đối với việc xử lý MSW. Chế phẩm Econase có thành
phần chính là endo-1,4--Dglucosidase (EC 3.2.1.4), cellobiohydrolase và exo-1,4-D-glucosidase (EC 3.2.1.74) và một số các enzyme khác.Với các tính chất như nêu
trên, các enzyme cellulase đã có những ứng dụng trong lĩnh vực xử lý nước thải nhà
máy giấy Nguyên liệu làm giấy là gỗ, sinh khối của thực vật bậc cao. Sinh khối này
chứa rấtnhiều loại polysaccharide, trong đó các polysaccharide quan trọng quyết định
đến chất lượng số lượng giấy như cellulose. Ngoài ra, còn có các polysaccharide

23
Báo cáo nhóm 1

khác cũng góp phần quan trọng như aminopectin, pectin, xylans, galactomannan,…
Vì vậy, nước thải của các nhà máy giấy, các cơ sở chế biến gỗ các xưởng mộc, các
xưởng sản xuất mây tre đan đều chứa các loại polysaccharide nêu trên. Do đó, ngoài
các enzyme nêu trên, với mục đích xử lý triệt để nước thải loại này, còn có thể sử
dụng bổ sung một số enzyme khác để phân huỷ các polysaccharide khác ngoài
cellulose.
Ví dụ:
Sử dụng mannobiohydrolase (EC 3.2.1.10) gọi là exo--mannanase hoặc mannan
1,2-(1,3)-- mannosidase (EC 3.2.1.77) và endo-- mannanase (EC 3.2.1.78) để phá
huỷ mannan, galactanase (EC 3.2.1.89) còn gọi là arabinogalactanase để phá huỷ
arabinogalactan. Cellulases và Hemicellulases để phá huỷ hemicellulose. Hai enzyme
cuối này có thể sản xuất từ nhiều chủng vi sinh vật, trong đó có Cellulomonas
biazotea.
4.3.3. Enzyme tham gia vào quá trình khử độc các kim loại nặng. Khử ô nhiễm arsen.
Các kim loại nặng như arsenic, đồng, cadmi, chì, crom và một số kim loại khác, đều
là những chất ô nhiễm nguy hiểm tìm thấy trong một số dòng nước thải công nghiệp
và mỏ khai thác cũng như các chất thải rắn, bùn thải. Hiện nay, vấn đề ô nhiễm arsen
đang là vấn đề thời sự, cần cấp bách giải quyết. Vì vậy việc sử dụng enzyme vi sinh
góp phần vào giải quyết vấn đề này. Trong cuộc sống, con người tiếp xúc với arsen
qua không khí, nước uống và thức ăn.
Lượng arsen đi vào cơ thể hàng ngày cỡ 20 - 300μg với khoảng 25% là arsen vô cơ,
phần còn lại là arsen hữu cơ. Các dạng arsen hữu cơ trong thức ăn như là
asenobetain, asenocholin tương đối không độc, ngược lại các dạng arsen vô cơ lại rất
độc, với liều lượng gây chết ở người là 100-200 mg oxyt arsen. Trên thế giới, nguồn
nước ngầm có chứa arsen trên 50μg/L được phát hiện ở nhiều nước như Achentina,
Mehicô, Myanma, Việt Nam, v.v...
Ở Việt Nam, theo kết quả nghiên cứu của nhiều tác giả cho thấy, hàm lượng arsen

trong các giếng khoan có nồng độ tới 50μg/L, thậm chí có nơi cao hơn 150μg/L. Như


24
Báo cáo nhóm 1

vậy vấn đề ô nhiễm arsen trong nước giếng khoan dùng cho sinh hoạt tại nông thôn
và ngay cả một số nơi trong thành phố của Việt Nam là một thực trạng đáng lo ngại
đã ảnh hưởng tới sức khoẻ con người.Việc xử lý nhiễm độc arsen bằng phương pháp
hoá học rất khó khăn,vì vậy việc sử dụng phương pháp enzyme có thể khắc phục
được những khó khăn mà phương pháp hóa học chưa giải quyết được.
Nguyên tắc chung của phương pháp enzyme là chuyển hoá Arsenite (hoá trị III) rất
độc thành Arsenat (hoá trị V) ít độc hơn,hoặc chuyển hoá Arsen dạng vô cơ sang
dạng hữu cơ. Arsen trong dạng hữu cơ ít độc hơn trong dạng vô cơ.

As+3

As+4

Ví dụ:
Enzyme Arsenate reductase (còn gọi là arseniteoxidase) (EC 1.20.98.1) từ chủng
Alcaligenesfaecalis, xúc tác cho phản ứng chuyển hoá Arsenite (hoá trị III) rất độc
thành Arsenate(hoá trị V) ít độc hơn, hoặc arsenatereductase (EC 1.20.99.1) (còn gọi
là glutaredoxin), từ chủng Chrysiogenesarsenatis xúc tác phản ứng chuyển hoá
Arsenite.
Arseniteoxidase
As+3

As+4

Chất cho electron ở phản ứng này có thể là benzylviologen hoặc một số chất khác
hoặc cũng có thể chuyển hoá arsenite dạng vô cơ sang dạng hữu cơ (methylarsonate)
nhờ Arsenite methyltransferase (EC 2.1.1.137) xúc tác phản ứng chuyển hoá các
arsenite thành methylarsonate ít độc hơn nhờ S-adenosyl-L-methionine.

S-adenosyl-L-methionine
Arsenite

Methylarsonate


25
Báo cáo nhóm 1

4.3.4 Enzyme tham gia vào xử lý các chất có hoạt tính bề mặt
Các tác nhân có hoạt tính bề mặt hay hoạt động bề mặt là các chất hữu cơ, đó là các
phân tử có tính phân cực mạnh và là thành phần cơ bản của chất tẩy. Các chất có hoạt
tính bề mặt có thể gây ra sự ô nhiễm nghiêm trọng khi ở nồng độ cao ví dụ như từ
các nhà máy xà phòng, hệ thống thoát nước thành phố và có thể phát sinh các hiện
tượng không mong muốn như việc tạo bọt. Alkylsulfatase từ Pseudomonas C12B
Pseudomonas putida hoặc từ Pseudomonasaeruginosa có thể làm giảm hiệu suất các
chất có hoạt tính bề mặt xuống tới nồng độ 750 mg dm-3. Enzyme này đặc hiệu với
các gốc alkyl sulfate, và có thể phá huỷ hoàn toàn gốc alkyl sulfate, alkyl ethoxy
sulfate hoặc aryl sulfonate trong các chất có hoạt tính bề mặt. Tuy nhiên, trên thực tế,
enzyme nàykhông thể tấn công các alkane sulfonate. Nói chung, alkylsulfatase hứa
hẹn một ứng dụng trong tương lai về việc xử lý một phạm vi rộng các chất có hoạt
tính bề mặt có trongnước thải.
4.3.5. Enzyme xử lý chất thải xyanua, Cyanide hydratase
Người ta ước tính rằng mỗi năm có khoảng 3 triệu tấn xyanua được sử dụng trên toàn
thế giới vào các mục đích công nghiệp khác nhau như các sản phẩm hoá học trung

gian, tổng hợp tơ sợi, cao su và dược liệu cũng như các mỏ quặng và mạ kim. Ngoài
ra, nhiều loài thực vật, vi sinh vật và côn trùng cũng có khả năng thải ra HCN cùng
với các enzyme thủy phân. Cuối cùng, thực phẩm hầu hết đều chứa một hàm lượng
đáng kể xyanua bắt nguồn từ cyanogenic glycoside có nguồn gốc từ một vài loại thực
phẩm. Khi có mặt xyanua sẽ ức chế quá trình trao đổi chất, có thể gây chết người và
các sinh vật khác, cần phải loại bỏ chúng trước khi thải ra môi trường.
Cyanide hydratase (EC 4.2.1.66), hoặc formamide hydro-lyase là một enzyme có khả
năng chuyển hoá cyanide trong nước thải công nghiệp thành amoniac và formate
thông qua một bước phản ứng. Cyanide hydratase được phân lập từ một vài loại nấm
và được tạo ra từ nấm khi nồng độ xyanua thấp. Khi được cố định, tính bền của
Cyanide hydratase tăng lên nhiều và enzyme từ Gloeocercospora sprrghi bền vững