Hóa Sinh

HÓA HỮU CƠ
VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ SINH CHUYỂN HÓA
1.

PHÂN LOẠI ENZYME VÀ CHUYỂN HĨA TRONG CƠ THỂ

Các q 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. Ngồi 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 trị 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),…
Có mn 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:
Chữ số đầu tiên

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.

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

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.

Chữ số thứ hai

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

Chữ số thứ ba

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

Chữ số thứ tư

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:

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.

2. Transferase

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.

2.

CÁC

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 vịng,…),…
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,…

LOẠI PHẢN ỨNG HĨA SINH THƠNG DỤNG

2.1. Phản ứng thế nucleophile sinh hóa
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 trị
cung cấp nhóm methyl: hãy tưởng tượng SAM trong tình huống này đơn giản là nhóm methyl gắn với nhóm
ra đi sulfide.

Hình bên dưới là ví dụ cho q 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.

Như có thể thấy trên hình, ở tâm phản ứng (active site) của enzyme, nhóm carboxylate đóng vai trị như
một base để nhận H+ tách ra từ phân tử nitrogen. Vì vùng khơng 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.

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 q trình chuyển hóa adrenaline trong cơ thể.


Lưu ý, trong ví dụ này, nucleophile tấn cơng là nhóm OH phenol chứ khơng phải ngun 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.
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 q trình chuyển các nhóm
hydroxyl (OH) thành các diphosphate hoặc phosphate, hay cịn gọi là q trình phosphoryl hóa.

Phản ứng thế SN1 cũng đóng vai trị 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.

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 (khơng 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 cơng từ
trên xuống, làm nghịch đảo hồn tồn 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.
2.2. Phản ứng cộng nucleophile sinh hóa
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.


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 vịng 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.

Lưu ý rằng các cân bằng được biểu diễn hồn tồn là các q trình tự diễn biến khơng có xúc tác enzyme.
Sản phẩm dạng vịng cịn 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 q trình phosphoryl hóa.


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 trị là nhóm dễ ra đi.

Nhóm -OUDP lúc này xuất ra dễ dàng, tạo thành carbocation bền vững rồi sau đó bị tấn cơng 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 cịn là mục tiêu tấn cơng 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 cịn gọi là
nhóm imine. Ở điều kiện pH khoảng 7, giống với điều kiện sinh lý, nhóm imine (đóng vai trị như một base

yếu) có thể được vẽ dưới dạng trung hịa (khơng ion hóa) hoặc dạng iminium (dạng ion hóa). Q trình tạo
iminium được biểu diễn theo sơ đồ bên dưới.

Iminium là một trung gian quan trọng trong các phản ứng hóa sinh, ngun 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 cịn gọi là vitamin B6, xúc tác bởi các enzyme transaminase.
Một phần của quá trình được biểu diễn bằng hình bên dưới.

Các iminium này cịn đóng vai trị trung gian trong các phản ứng đóng vịng 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.
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 khơng có một
cách gọi chung trong hóa hữu cơ).


Nhóm X dễ bị thế đi bởi các nucleophile khác thơng qua phản ứng thế acyl nucleophile vào nhóm carbonyl.
Cơ chế phản ứng được biểu diễn đơn giản như sau:

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 phịng thí nghiệm.

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 q

trình phosphoryl hóa (để tạo thành acyl-AMP) hoặc quá trình tạo thioester nhờ tác dụng với coenzyme A
(CoASH).


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.

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.

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 cơng vào nhóm thioester đang gắn với enzyme.
Cơ chế được biểu diễn đơn giản như sau.


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.

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

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).


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)
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.

Enzyme isomerase là một enzyme chuyên xúc tác cho các q trình đồng phân hóa, và một trong các phản
ứng được xúc tác bởi enzyme này chính là q 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, cịn các đường chứa nhóm ketone được gọi là ketose.


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

VD2 : Hiện tượng đồng phân hóa alkene

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).


Gần giống với phản ứng retro-aldol, phản ứng decarboxyl hóa trong các q 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.

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 q 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.

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

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


Ngoài ra, phản ứng cộng Michael và sự tách E1cb là 2 phản ứng ngược nhau và chúng rất thường xuất hiện
trong các q trình sinh hóa.
VD1 : Phản ứng cộng nước trong quá trình tổng hợp chất béo.

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
Phản ứng cộng electrophile là một trong những phản ứng electrophile khơng q 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 q trình thối 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 q trình này
là cộng nước vào hệ nối đơi alkene liên hợp.

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


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 đơi cịn lại trong phân tử tấn cơng 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.
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.
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.

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 q trình decarboxyl hóa (EC 4.1.1.33).


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.

1)
2)

Dự đoán sản phẩm và đề nghị cơ chế phản ứng.
Cho biết 2 động lực chính thúc đẩy quá trình phản ứng này.

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):

Cơ chế của q 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.


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).

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.

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 vịng để
tạo thành các cấu trúc đa vịng phức tạp. Ví dụ, một trong những bước chìa khóa trong sinh tổng hợp
cholesterol là bước đóng vịng oxidosqualene từ streoid gọi là lanosterol (EC 5.4.99.7).

Đề xuất cơ chế cho chuyển hóa trên. Biết mơi 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
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 q trình oxy hóa khử dưới dạng cho – nhận phân tử hydro (H2). Phản ứng hydro

hóa thường đại diện cho q trình khử (làm chất tăng lên 2n nguyên tử hydro), mà bản chất đó là q
trình cung cấp ion hydride (H-) và sau đó là trung hòa lại bằng hạt proton. Ngược lại, phản ứng oxy
hóa là q trình mất 2n ngun tử hydro dưới hình thức mất ion hydride và hạt proton.


Q trình hydro hóa hay dehydro hóa cịn được gọi là các phản ứng vận chuyển hydride, ion quan trọng
đóng vai trị 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).
2.6.1.

Tác nhân vận chuyển hydride nhóm nicotinamide dinucleotide

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 cịn lại của phân tử NAD+ (ngồi 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 khơng đóng vai trị gì đến q trình vận chuyển hydride.
Tuy nhiên, điều này quan trọng trong ngữ cảnh sinh học: quy tắc cơ bản, enzyme xúc tác cho các q trình
dị hóa (chuyển hóa các phân tử lớn thành phân tử nhỏ) dùng coenzyme không phosphoryl hóa, trong khi
xúc tác cho các q trình đồng hóa (sinh tổng hợp đại phân tử) thì dùng coenzyme phosphoryl hóa.
NAD+ và NADP+ đóng vai trị 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 trị 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.

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

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.


Ngồi ra, NAD(P)H cịn 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:
1)

EC 1.4.1.2

2)

EC 1.1.1.34

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,

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


2.6.2.

Tác nhân vận chuyển hydride nhóm flavin adenine dinucleotide

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 vịng 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).

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.


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 trị là các chất cho hydride cho
q trình hydro hóa.

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.
1)
2)
3)

Đề nghị cơ chế cho quá trình hồn ngun 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.

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.

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

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


2.6.3.

Các phản ứng của enzyme oxygenase

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 q 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.
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 q trình hydroxyl hóa, q trình cịn lại là
epoxide hóa.

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


Ở q trình khử trực tiếp, các enzyme reductase có vai trò “tháo” nguyên tử oxy ra khỏi phân tử, hoặc đơi
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.

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.

Cần nhớ rằng, oxy ở trạng thái singlet có một liên kết đơi và khơng chứa electron độc thân, trong khi oxy
ở trạng thái cơ bản (triplet) thì có vai trị 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.
Cơ chế cho phản ứng hydroxyl hóa bởi monooxygenase có thể được giải thích theo sơ đồ bên dưới.


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.