1 Báo cáo nhóm 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 Báo cáo nhóm MỤC LỤC 1.GIỚI THIỆU 2.CÂN BẰNG HÓA HỌC 2.1.Cân hóa học gì? 2.2.Sự chuyển dịch cân hóa học 2.3.Hằng số cân hóa học 2.4.CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CÂN BẰNG HÓA HỌC 2.4.1.Ảnh hưởng nồng độ 2.4.2.Ảnh hưởng áp suất 2.4.3.Ảnh hưởng nhiệt độ 2.4.4.Ảnh hưởng chất xúc tác MỘT SỐ VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN CÂN BẰNG HÓA HỌC 3.1.SINH HỌC HỆ ĐỆM 3.1.1.Dung dịch đệm 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 gì? 3.2.1.2.Tính xúc tác enzyme 3.2.1.3 Điều kiện để phản ứng hóa học xảy 3.2.1.4 Cơ chế xúc tác chung enzyme 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 tiết NH3 4.2.THẬN ĐIỀU HÒA HUYẾT ÁP 4.3.XỬ DỤNG ENZYM TRONG XỬ LÝ PHẾ THẢI 4.3.1 Đối với số ion kim loại 4.3.2 Đối với phế phẩm polysaccharide thực vật 4.3.3 Khử độc kim loại nặng 4.3.4 Xử lý chất có hoạt tính bề mặt 4.3.5 Xử lý chất thải xyanua TÀI LIỆU THAM KHẢO Báo cáo nhóm 1.GIỚI THIỆU Trong tất phản ứng hóa học điều có cân chất hóa học với nhau,trong lĩnh vực sinh học Trong thực tế, biện pháp tăng nồng độ chất phản ứng sản phẩm sau phản ứng đạt đến trạng thái cân Nói chung, phản ứng liên quan đến nhiều chất phản ứng sản phẩm, thay đổi nồng độ chất phản ứng sản phẩm ảnh hưởng đến nồng độ trạng thái cân tất chất phản ứng sản phẩm Vì trạng thái cân đặc biệt cân hóa học lĩnh vực sinh học quan trọng cần thiết Báo cáo nhóm 2.CÂN BẰNG HÓA HỌC 2.1.CÂN BẰNG HÓA HỌC LÀ GÌ ? Theo động hóa học: phản ứng chia làm loại : - Phản ứng chiều không thuận nghịch: A B VD: 2KClO3 3O2 + 2KCl - Phản ứng chiều thuận nghịch : A VD: B CO2 + H2O H2CO3 Xét phản ứng tổng quát: k1 thuận A+B C+D k2 nghịch k1 , k2 : số tốc độ phản ứng thuận nghịch Ta có: tốc độ phản ứng : v1 = k1 [A] [B] v2 = k2[ C][D] Mới đầu có A B , nồng độ A B lớn nên v1 cực đại, mặt khác nồng độ C D nên v2 Khi A B phản ứng với tạo thành C D nồng độ A B giảm dần, nồng độ C D tăng dần, v1 giảm dần, v2 tăng dần Đến lúc v1 = v2 , trạng thái cân động, phản ứng tiếp tục xảy theo hai chiều tốc độ phản ứng theo chiều thuận 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] Báo cáo nhóm Cân hóa học cân số lượng nguyên tố chất hai vế phản ứng hóa học, trạng thái phản ứng thuận nghịch tốc độ phản ứng thuận tốc độ phản ứng nghịch Ở trạng thái cân nồng độ chất không đổi Cân hóa học đặc trưng hệ số cân (Keq),Cân hóa học cân động 2.2.SỰ CHUYỂN DỊCH CÂN BẰNG HÓA HỌC Sự chuyển dịch cân hóa học di chuyển từ trang thái cân sang trạng thái cân khác tác động yếu tố từ bên lên cân 2.3.HẰNG SỐ CÂN BẰNG phản ứng thuận nghịch trạng thái cân bằng, nồng độ chất phản ứng không biến đổi (nếu điều kiện phản ứng không biến đổi), nên ta đưa đại lượng đặc trưng cho cân bằng, số cân Hằng số cân (Keq) phụ thuộc vào chất chất phản ứng, nhiệt độ, áp lực (đặc biệt phản ứng liên quan đến khí) Trong điều kiện vật lý tiêu chuẩn (25 ° C áp suất atm), Keq luôn giống cho phản ứng định, có hay diện chất xúc tác Đối với phản ứng đơn giản : A+B⇌X+Y số cân xác định bằng: [X][Y] Keq= (1) [A][B] Trường hợp tổng quát : aA + bB + cC Hằng số cân xác định bởi: Keq= [X]x[Y]y[Z]z [A]a[B]b[C]c xX + yY + zZ (2) (1) Báo cáo nhóm (3) Trong phản ứng tổng quát (2) trên, tốc độ phản ứng thuận (từ trái sang phải) xác định: Rateforward = kf[A]a[B]b[C]c Trong k f số tốc độ phản ứng cho phản ứng thuận Tương tự vậy, tốc độ phản ứng nghịch (phải sang trái) xác định: Ratereverse = kr[X]x[Y]y[Z]z k r số tốc độ phản ứng cho phản ứng nghịch Khi đạt trạng thái cân tốc độ phản ứng phản ứng thuận ngịch 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), thấy mối quan hệ quan trọng ⇔ kf Keq= (4) kr Nói cách khác, số cân bằng tỷ lệ số tốc độ phản ứng ngược lại Bởi chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng thuận đồng thời làm tăng tốc độ phản ứng nghịch yếu tố, không làm thay đổi giá trị kf/kr Vì vậy, nói trên, chất xúc tác không làm thay đổi số cân bằng, mà phụ thuộc vào tính chất hóa học phân tử có liên quan, vào nhiệt độ áp suất VD: cho 0.6703mol/l khí N2O4 vào bình kính 250C xảy phản ứng sau: N2O4 ⇌2NO2 (1) Báo cáo nhóm Khi phản ứng trang thái cân thu 0.0546mol/l khí NO2 lại 0.643 mol/l khí N2O4, tỉ số sau số: [NO2] (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 nồng độ Xét hệ cân sau bình kín nhiệt độ cao không đổi: CO2 (k) + C (r) 2CO (k) Ở trạng thái cân bằng, Vt = Vn: nồng độ chất không biến đổi Nếu ta cho thêm vào hệ lượng khí CO2 , nồng độ CO2 tăng lên làm cho Vt > Vn Vậy thêm CO2 vào hệ cân bằng, cân chuyển dịch theo chiều từ trái sang phải Kết luận: Khi tăng giảm nồng độ chất cân bằng, cân chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động việc tăng giảm chất 2.4.2.Ảnh hưởng áp suất Xét hệ cân sau bình kín nhiệt độ cao không đổi: 2NO2 (k) N2O4 (k) Nếu ta cho vào hệ mol NO2, áp suất khí hệ tăng lên làm cho Vt > Vn Vậy thêm 1mol NO2 vào hệ cân bằng, cân chuyển dịch theo chiều từ trái sang phải Kết luận: tăng giảm áp suất chung hệ cân bằng, chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động việc tăng giảm áp suất Báo cáo nhóm 2.4.3.Ảnh hưởng nhiệt độ Xét hệ cân sau bình kín : N2O4 (k) 2NO2 (k) Khi hỗn hợp khí trạng thái cân bằng, đun nóng hỗn hợp khí cách ngâm bình vào nước sôi, màu nâu đỏ của hỗn hợp khí đậm lên, nghĩa cân chuyển dịch theo chiều thuận, chiều phản ứng thu nhiệt, ngược lại ta làm lạnh hỗn hợp chuyển dịch theo chiều nghịch, chiều phản ứng tỏa nhiệt Kết luận: Khi tăng nhiệt độ, cân chuyển dịch theo chiều phản ứng thu nhiệt ngược lại, cân chuyển dịch theo chiều phản ứng tỏa nhiệt 2.4.4.Ảnh hưởng chất xúc tác Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng thuận tốc độ phản ứng nghịch với số lần nhau, nên chất xúc tác không ảnh hưởng đến cân hóa học Kết luận: Một phản ứng thuận nghịch trang thái cân chịu tác động từ bên biến đổi nồng độ, áp suất, nhiệt độ, cân chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động bên MỘT SỐ VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN CÂN BẰNG HÓA HỌC 3.1.Sinh học hệ đệm 3.1.1.Dung dịch đệm gì? Dung dịch đệm dạng dung dịch lỏng chứa đựng hỗn hợp axit yếu bazơ liên hợp bazơ yếu axit liên hợp Tính chất đặc biệt dung dịch ta cho thêm vào lượng chất có tính bazơ hay axit pH dung dịch thay đổi so với dung dịch chưa có tác động Trong tất sinh vật đa bào, chất lỏng tế bào chất lỏng xung quanh tế bào có độ pH đặc trưng gần không đổi pH trì số cách khác nhau, cách quan trọng thông qua hệ thống đệm Hai hệ thống quan trọng đệm sinh học hệ thống dihydrogen phosphate hệ thống axit cacbonic 3.1.2.Hệ thống đệm dihydrogen phosphate Báo cáo nhóm Hệ thống đệm phosphate hoạt động dịch nội bào tất tế bào Hệ thống đệm bao gồm ion phosphate dihydrogen (H2PO4-) nguồn cung cấp ion H+ (acid) ion hydrogen phosphate (HPO42-) chất nhận-ion H+ (bazo) Hai ion trạng thái cân với xác định phương trình hóa học H PO - (aq) H + (aq) + HPO - (aq) Nếu ion H+ thêm vào dịch tế bào, sử dụng phản ứng với HPO 42 tạo HPO4- cân chuyển sang bên trái Nếu ion H+ lấy bớt khỏi dịch tế bào, phản ứng tạo H+ cân dịch chuyển sang bên phải Ta có hệ số cân phản ứng: [H+][HPO42-] Keq= (1) (1) [H2PO4-] Giá trị Ka cho trạng thái cân 6,23 × 10-8 25 ° C Khi nồng độ H2PO4- HPO42 – nhau, giá trị nồng độ mol ion H+ với giá trị số cân bằng, độ pH pKa, cụ thể 7,21 Bộ đệm hiệu trì độ pH gần với giá trị pKa 3.1.3.Hệ thống axit carbonic Bộ đệm axit carbonic đóng vai trò quan trọng việc trì độ pH máu(huyết tương) Trong hệ thống axit carbonic (H CO 3) nguồn cung cấp ion H+ (axit) ion hydrogen carbonate (HCO -) chất nhận H+ (bazơ) H CO (aq) H + (aq) + HCO - (aq) Bộ đệm chức tương tự đệm phosphate Các H+ sử dụng HCO3- OH- sử dụng H2CO3 Giá trị K a cho trạng thái cân 7,9 × 10 -7, Kp 6,1 nhiệt độ thể ⇔ 10 Báo cáo nhóm Nồng độ ion hydro cacbonat axit cacbonic điều khiển hai hệ thống sinh lý độc lập Nồng độ axit cacbonic điều khiển hô hấp, thông qua phổi Carbonic acid trạng thái cân với khí carbon dioxide hòa tan H CO (aq) CO (aq) + H O (l) Một enzyme gọi carbonic anhydrase xúc tác chuyển đổi axit cacbonic carbon dioxide hòa tan Trong phổi, carbon dioxide hòa tan dư thở khí carbon dioxide CO (aq) CO (g) Nồng độ ion cacbonat hydro kiểm soát thông qua thận Lượng dư ion hydro cacbonat tiết nước tiểu Nồng độ cao nhiều ion cacbonat hydro so với axit cacbonic huyết tương cho phép đệm cân tốt chất đưa vào máu Quá trình trao đổi chất bình thường xảy chủ yếu chất có tính axit cacboxylic axit lactic (HLac) Những axit phản ứng với ion hydro cacbonat axit cacbonic hình thức HLac (aq) + HCO - (aq) Lạc - (aq) + H CO (aq) Các axit cacbonic chuyển đổi thông qua hoạt động enzyme anhydrase carbonic dung dịch nước carbon dioxide H2CO (aq) CO (aq) + H O (l) Sự gia tăng CO (aq) nồng độ kích thích tăng thở, lượng khí carbon dioxide dư thừa thải vào không khí phổi Ngoài hai hệ đệm nói trên, ta hệ đệm không phần quan trọng, hệ đệm protein 3.1.4.Hệ đệm prôtêin : Prôtêin huyết tương tồn ba dạng chủ yếu abumin, glôbulin fibrinôgen; thuộc hệ đệm có anbumin, chiếm tới 60% tổng số prôtêin huyết tương Vai trò đệm anbumin vừa điều chỉnh tính kiềm nhờ gốc -COOH (gốc 13 Báo cáo nhóm với điều kiện bình thường Nhưng chất xúc tác khác, thân enzym không tham gia vào sản phẩm cuối phản ứng 3.2.1.3 Điều kiện để phản ứng hoá học xảy Ta lấy ví dụ: C6H12O6 + O2 -> CO2 + H2O + 688Kcal (Đây cháy điều kiện bình thường) Để hiểu chế xúc tác enzym, ta cần nhớ lại số điều kiện nhiệt động học để phản ứng tiến hành Tốc độ phản ứng hoá học chất A + B →AB phụ thuộc vào yếu tố sau: - Nồng độ chất tham gia phản ứng A B - Năng va chạm hữu hiệu phân tử Ngoài ra, để phản ứng xảy phân tử chất tham gia phải trạng thái kích động (tức trạng thái hoạt hoá) Muốn đạt điều kiện cần nạp cho phân tử chất nguồn lượng từ bên (dưới dạng nhiệt năng, điện quang năng) Chất xúc tác có nhiệm vụ: - Tăng nồng độ chất tham gia phản ứng - Làm cho phản ứng chóng đạt tới điểm thăng động Về chế xúc tác sinh học enzym người ta đề nhiều giả thuyết để giải thích, thống chỗ trình xúc tác bắt đầu kết hợp enzym chất thành hợp chất trung gian E (enzym) + S (cơ chất)→ ES (hợp chất trung gian) Cơ chất liên kết với enzym trung tâm hoạt động Sự liên kết có tính chất chọn lọc đặc biệt Ví dụ: Lấy hình mẫu esterase - enzym xúc tác thuỷ phân (hoặc tổng hợp) este Nếu lấy benzoilcarbonyl thay enzym (C6H5 - CO - CH2OH) chất tạo hợp chất trung gian, giải phóng rượu: 14 Báo cáo nhóm sau hợp chất trung gian dễ phân tán với có mặt H2O thành acid benzoilcarbonyl nguyên cũ Nhờ có benzoicarbonyl mà trạng thái cân động phản ứng xảy với tốc độ gấp nhiều lần Theo điều kiện hoạt động người ta chia enzym làm loại: - Enzym không cần cộng tố ( cofactor) enzym có chất protein thuần, chúng gồm enzym thủy phân Ví dụ : pepsin, trypsin, cathepsin - Enzym cần cộng tố: enzym protein tạp gồm phần : protein + cộng tố (cofactor) 3.2.1.4 Cơ chế xúc tác chung enzym: A) Phức hợp enzym chất lượng hoạt hóa: Phức hợp ES: hợp chất trung gian : phản ứng enzym có tạo thành phức hợp tạm thời ES ; sau S ( Substance) -> sản phẩm P ( product) enzym giải phóng tự E + ES -> p + E + Năng lượng hoạt hóa: 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 < => nguyên tắc phản ứng tự xảy thực tế phản ứng xảy chất phản ứng trạng thái hoạt hóa ( kích thích) 15 Báo cáo nhóm Hình Đồ thị lượng hoạt hóa B).Tính đặc hiệu enzym * Đặc hiệu chất : enzym tác động đặc hiệu lên chất (đặc hiệu tuyệt đối) hay số chất có cấu tạo phân tử gần giống VD: - Urêaz : Urê + H2O - Sacaraz : Saccaraz + H2O - Amylaz : Tinh bột, glycogen + H2O CO2 + NH3 Fructoz + Glucoz Maltoz +Glucoz * Đặc hiệu lập thể : enzym tác dụng lên hai dạng đồng phân hoạt quang Thí dụ hầu hết enzym chuyển hóa acid amin tác dụng lên L-acid amin mà không tác dụng lên D-acid amin * Đặc hiệu phản ứng : chất biến hóa theo nhiều phản ứng khác nhau, phản ứng có enzym đặc hiệu Thí dụ phản ứng acid amin : Oxy hóa nhờ oxydaze : 16 Báo cáo nhóm 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 phản ứng enzyme Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng enzyme, nồng độ enzyme, nồng độ chất, chất kìm hãm, nhiệt độ, PH, ánh sáng * xét ảnh hưởng nhiệt độ pH C1) Ảnh hưởng cuả nhiệt độ Ta tăng vận tốc phản ứng hóa học cách tăng nhiệt độ môi trừơng, tượng tuân theo quy luật Vant’-Hoff Điều có nghĩa tăng nhiệt độ lên 100C tốc độ phản ứng tăng lên khỏang lần Đối với phản ứng enzyme xúc tác áp dụng quy luật phạm vi định,vì chất enzyme protein.Khi ta tăng nhiệt độ lên 40-500C xảy trình phá huỷ chất xúc tác Sau nhiệt độ tối ưu tốc độ phản ứng enzyme xúc tác giảm Nhờ tồn nhiệt độ tối ưu người ta phân biệt phản ứng hoá sinh với phản ứng vô thông thường Mỗi enzyme có nhiệt độ tối ưu khác nhau, phần lớn phụ thuộc nguồn cung cấp enzyme, thông thường khoảng từ 40-600C , có enzyme có nhiệt độ tối ưu cao enzyme chủng ưa nhiệt Các chủng vi sinh vật ưa nhiệt, đăc biệt vi khuẩn chịu nhiệt có chứa enzyme chịu nhiệt cao 17 Báo cáo nhóm Hình 6.10 Ảnh hưởng nhiệt độ lên họat độ enzyme C2) Ảnh hưởng pH Sự phân li khác phân tử protein giá trị pH khác làm thay đổi tính chất trung tâm liên kết với chất tính chất hoạt động phân tử enzyme.Điều dẩn đến giá trị xúc tác khác phụ thuộc vào giá trị pH Như biết enzyme có pH tối ưu,mỗi enzyme có đường biểu diễn ảnh hưởng pH lên vận tốc phản ứng chúng xúc tác Đường biểu diễn có dạng hình sau: Hình 6.10 Ảnh hưởng pH lên họat độ enzyme Ảnh hưởng giá trị pH đến tác dụng enzyme sở sau: 1).Enzyme có thay đổi không thuận nghịch phạm vi pH cực hẹp 2).Ở hai sườn pH tối ưu xảy phân ly nhóm prosthetic hay coenzyme 18 Báo cáo nhóm 3).Làm thay đổi mức ion hoá hay phân ly chất 4) Làm thay đổi mức ion hoá nhóm chức định phân tử enzyme dẫn đến làm thay đổi lực liên kết enzyme với chất thay đổi hoạt tính cực đại MỘT SỐ ỨNG DỤNG CÂN BẰNG HÓA HỌC TRONG SINH HỌC 4.1.THẬN ĐIỀU HOÀ CÂN BẰNG ACID - BASE CỦA MÁU Trong trình sống thể tạo sản phẩm làm biến đổi tính định nội môi Trong có cân acid-base Người ta nhận thấy phản ứng điều chỉnh pH máu thận có muộn lại có hiệu qủa Sự điều hoà thực cách hoàn hảo vai trò thận tiết H+, tái hấp thu HCO3- ,tổng hợp tiết NH3 4.1.1 Bài tiết H+ Trong điều kiện sinh lý, thận đào thải khỏi thể phần thừa acid thể tạo trình chuyển hoá mà phổi đảm nhiệm được.Thông thường nước tiểu thải có phản ứng acid, pH 4,5 nồng độ H + tự tới 800 lần cao huyết tương Nồng độ H+ nước tiểu vào khoảng 0,03m Eq/l Bình thường hai thận thải 0,03-0,06 mEq H+/24h H+ tạo trình : CO2 + H2O H2CO3 (có enzym carboanhydrase xúc tác) Sau đó: H2CO3 H+ HCO3- H+ vận chuyển qua màng tế bào, có phần nhỏ H+ khuếch tán qua màng tế bào vào lòng ống lượn, có trao đổi với Na+ Na+ tái hấp thu HCO3- vào dịch gian bào Sự tiết H+ có liên quan chặt chẽ với hệ đệm ống thận: hệ đệm phosphat, hệ đệm acid hữu yếu (creatin, acid citric, acid lactic, b oxy acid béo) Trong hệ đệm phosphat quan trọng Với hệ đệm phosphat pH máu 7,36 máu có 80% phosphat tồn dạng HPO4 20% dạng HPO4- 19 Báo cáo nhóm Trong nước tiểu, pH nước tiểu =6,8 nồng độ ion ngang nhau, pH nước tiểu=4,5 99% phosphat tồn dạng H2PO4- Như trình tạo thành nước tiểu acid xảy tượng: HPO4 + H+ > H2PO4 (H2PO4 bị siêu lọc cầu thận) Một phân tử gam phosphat bị đào thải kéo theo 0,8mEq H+ nước tiểu Như trình tạo thành acid có kết hợp H+ với hệ đệm ống thận, làm giảm hoá trị anion, chuyển anion thành phân tử trung tính Phần thừa cation tương đối bị tái hấp thu vào máu (thường Na+) Sự tạo thành H+ tế bào ống lượn làm xuất HCO3- hấp thu vào máu với Na+ 4.1.2 Tái hấp thu HCO3- HCO3- chất kiềm chủ yếu huyết tương Nó cần tái hấp thu đào thải acid bị đào thải pH máu kiềm Bình thường pH nước tiểu=4,5 HCO 3- có hàm lượng thấp (chỉ có vết) Trong 24h có khoảng 400mEq HCO 3- bị siêu lọc, mà có 1-2mEq HCO3- bị thải Nghĩa 99,9% HCO3- tái hấp thu Sự tái hấp thu HCO3- có liên quan chặt chẽ với enzym carboanhydrase (carboanhydrase nằm phía màng đỉnh tế bào ống lượn gần) Có phần HCO 3được khuếch tán vào dịch gian bào, đại phận HCO3- vận chuyển trực tiếp qua màng tế bào mà thông qua khuếch tán dễ dàng CO vào tế bào ống lượn CO2 lòng ống lượn tạo từ phản ứng: H2CO3 H2O + CO2 H2CO3 tạo thành lòng ống lượn từ phản ứng: HCO3- + H+ H2CO3 (HCO3- bị lọc tiểu cầu) Có phần CO2 từ dịch gian bào khuếch tán vào tế bào Ở tế bào có trình sau: 20 Báo cáo nhóm CO2 + H2O H2CO3 H2CO3 (có enzym carboanhydrase xúc tác) H+ HCO3- Chính HCO3- tạo tế bào ống lượn hấp thu vào dịch gian bào vào máu Nếu tiêm vào thể chất ức chế enzym carboanhydase (ví dụ acetasolamid) nước tiểu có nhiều HCO3- Trong trường hợp ta lại thấy HCO3- tái hấp thu H+ lại đào thải Trong điều kiện nghỉ ngơi bình thường nước tiểu gần kiềm HCO3- 4.1.3.Tổng hợp tiết NH3 Thận có chức quan trọng tạo NH3 Trên sở đào thải NH3 thận lần lại đào thải acid Nồng độ NH3 máu động mạch thận thấp, ví dụ máu tĩnh mạch nồng độ cao, 2-3 đặc biệt nồng độ chất nước tiểu lên đến 100 lần cao NH3 tạo tế bào ống lượn trình khử amin mạnh tiền chất là: glutamin, alanin, histidin, glycin, leucin, methionin, lysin Trong glutamin quan trọng nhất, 60% NH3 tạo từ glutamin NH3 sau tạo thành dễ dàng khuếch tán qua màng tế bào (NH3 dễ hoà tan lipid) vào lòng ống lượn chênh lệch phân áp Trong lòng ống lượn xảy phản ứng: NH3+ + H+ NH4+ Dạng NH3 đào thải theo nước tiểu dạng kết hợp NH4Cl (Cl- phân ly từ NaCl lòng ống lượn) chế có liên quan tới tiết H + thận Trong 24 có 40-60mEq NH4+ đào thải theo nước tiểu Người ta phải thừa nhận chức quan trọng thận điều chỉnh cân acid-base máu Nếu pH máu tăng (nhiễm kiềm), thận giảm tiết H+, giảm tái hấp thu HCO3-, giảm tổng hợp tiết NH3làm cho nước tiểu kiềm 21 Báo cáo nhóm Nếu pH máu giảm (nhiễm acid), thận tăng tiết H+, tăng tái hấp thu HCO3-, tăng tổng hợp tiết NH3; nước tiểu acid Vì vậy, thận đảm bảo cho pH máu định 4.2 THẬN ĐIỀU HOÀ HUYẾT ÁP Thận điều hoà huyết áp thông qua máy cận tiểu cầu Khi huyết áp giảm, lưu lượng tuần hoàn qua thận giảm, tế bào hạt máy cận tiểu cầu tăng tiết Renin Renin có chất cấu trúc glucoprotein, chất chức enzym, tác động lên chất có máu bạch huyết gan sản xuất angiotensinogen (bản chất a2- globulin, có 14 acid amin), chuyển angiotensinogen thành angiotensin I (10 acid amin) Angiotensinogen Angiotensin I (10 acid amin) Dưới tác dụng convertin enzym (CE), enzym phổi, angitensin I chuyển thành angiotensin II (8 acid amin) Angitensin I Angiotensin II (8 acid amin) Angiotensin II chất có hoạt tính sinh học cao, có khả gây co mạch kích thích trình tăng tổng hợp tiết aldosteron Aldosteron làm tăng tái hấp thu Na+ ống lượn xa làm tăng Na+ máu giữ nước Chính hai tác dụng mà angiotensin II làm cho huyết áp tăng lên Trong lâm sàng ta gặp bệnh tăng huyết áp viêm thận mạn tính, chít hẹp động mạch thận Dựa theo chế tăng huyết áp angiotensin, người ta sử dụng thuốc ức chế enzym chuyển, ngăn cản trình tạo angiotensin II 4.3.XỬ DỤNG ENZYM TRONG XỪ LÝ PHẾ THẢI 4.3.1.Đối với số ion kim loại Trong enzyme peroxidase enzyme atalase, peroxidase manganese peroxidase nghiên cứu nhiều phục vụ cho việc phát 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 catalase, xúc tác phản ứng đặc hiệu HRP enzyme 22 Báo cáo nhóm nghiên cứu nhiều có liên quan tới phương pháp xử lý rác thải enzyme HRP xúc tác phản ứng oxy hoá phổ rộng hợp chất thơm độc bao gồm phenol, biphenol, aniline, benzidine hợp chất thơm dị vòng hydroxyquinoline arylamine carcinogen benzidine vànaphthylamine Sản phẩm phản ứng polyme hoá thông qua trình enzyme xúc tác dẫn tới hình thành chất kết tủa dễ dàng loại bỏ khỏi nước nước thải nhờ trình lắng đọng lọc HRP đặc biệt phù hợp với xử lý nước thải giữ nguyên hoạt tính phạm vi rộng pH nhiệt độ HRP có khả làm kết tủa nhiều chất thải khó loại bỏ, với nhiều hợp chất dễ loại bỏ cách hình thành polimer phức tạp có tính chất tương tự sản phẩm polimer hợp chất dễ loại bỏ Một hệ đặc tính loại nước thải nguy hiểm chứng tỏ người ta thấy chất biphenyl polichloride hoá bị loại bỏ khỏi dung dịch kết tủa với phenol 4.3.2.Đối với phế thải polysaccharide thực vật việc thủy phân cellulose, hay nói cách đắn thủy phân polysaccharide thực vật, hai enzyme đủ, mà cần tới hệ enzyme Chính vậy, có nhiều nghiên cứu đề cập đến việc sản xuất chế phẩm bao gồm số enzyme để xử lý phế thải polysaccharide thực vật Ví dụ: chế phẩm enzyme từ nấm “Econase” sử dụng để nghiên cứu hiệu enzyme thuỷ phân cellulose việc xử lý MSW Chế phẩm Econase có thành phần endo-1,4--Dglucosidase (EC 3.2.1.4), cellobiohydrolase exo-1,4-D-glucosidase (EC 3.2.1.74) số enzyme khác.Với tính chất nêu trên, enzyme cellulase có ứng dụng lĩnh vực xử lý nước thải nhà máy giấy Nguyên liệu làm giấy gỗ, sinh khối thực vật bậc cao Sinh khối chứa rấtnhiều loại polysaccharide, polysaccharide quan trọng định đến chất lượng số lượng giấy cellulose Ngoài ra, có polysaccharide 23 Báo cáo nhóm khác góp phần quan trọng aminopectin, pectin, xylans, galactomannan,… Vì vậy, nước thải nhà máy giấy, sở chế biến gỗ xưởng mộc, xưởng sản xuất mây tre đan chứa loại polysaccharide nêu Do đó, enzyme nêu trên, với mục đích xử lý triệt để nước thải loại này, sử dụng bổ sung số enzyme khác để phân huỷ polysaccharide khác cellulose Ví dụ: Sử dụng mannobiohydrolase (EC 3.2.1.10) gọi exo--mannanase mannan 1,2-(1,3)-- mannosidase (EC 3.2.1.77) endo-- mannanase (EC 3.2.1.78) để phá huỷ mannan, galactanase (EC 3.2.1.89) gọi arabinogalactanase để phá huỷ arabinogalactan Cellulases Hemicellulases để phá huỷ hemicellulose Hai enzyme cuối sản xuất từ nhiều chủng vi sinh vật, có Cellulomonas biazotea 4.3.3 Enzyme tham gia vào trình khử độc kim loại nặng Khử ô nhiễm arsen Các kim loại nặng arsenic, đồng, cadmi, chì, crom số kim loại khác, chất ô nhiễm nguy hiểm tìm thấy số dòng nước thải công nghiệp mỏ khai thác chất thải rắn, bùn thải Hiện nay, vấn đề ô nhiễm arsen vấn đề thời sự, cần cấp bách giải Vì việc sử dụng enzyme vi sinh góp phần vào giải vấn đề Trong sống, người tiếp xúc với arsen qua không khí, nước uống thức ăn Lượng arsen vào thể hàng ngày cỡ 20 - 300μg với khoảng 25% arsen vô cơ, phần lại arsen hữu Các dạng arsen hữu thức ăn asenobetain, asenocholin tương đối không độc, ngược lại dạng arsen vô lại độc, với liều lượng gây chết người 100-200 mg oxyt arsen Trên giới, nguồn nước ngầm có chứa arsen 50μg/L phát nhiều nước Achentina, Mehicô, Myanma, Việt Nam, v.v Ở Việt Nam, theo kết nghiên cứu nhiều tác giả cho thấy, hàm lượng arsen giếng khoan có nồng độ tới 50μg/L, chí có nơi cao 150μg/L Như 24 Báo cáo nhóm vấn đề ô nhiễm arsen nước giếng khoan dùng cho sinh hoạt nông thôn số nơi thành phố Việt Nam thực trạng đáng lo ngại ảnh hưởng tới sức khoẻ người.Việc xử lý nhiễm độc arsen phương pháp hoá học khó khăn,vì việc sử dụng phương pháp enzyme khắc phục khó khăn mà phương pháp hóa học chưa giải Nguyên tắc chung phương pháp enzyme chuyển hoá Arsenite (hoá trị III) độc thành Arsenat (hoá trị V) độc hơn,hoặc chuyển hoá Arsen dạng vô sang dạng hữu Arsen dạng hữu độc dạng vô As+3 As+4 Ví dụ: Enzyme Arsenate reductase (còn gọi arseniteoxidase) (EC 1.20.98.1) từ chủng Alcaligenesfaecalis, xúc tác cho phản ứng chuyển hoá Arsenite (hoá trị III) độc thành Arsenate(hoá trị V) độc hơn, arsenatereductase (EC 1.20.99.1) (còn gọi glutaredoxin), từ chủng Chrysiogenesarsenatis xúc tác phản ứng chuyển hoá Arsenite Arseniteoxidase As+3 As+4 Chất cho electron phản ứng benzylviologen số chất khác chuyển hoá arsenite dạng vô sang dạng hữu (methylarsonate) nhờ Arsenite methyltransferase (EC 2.1.1.137) xúc tác phản ứng chuyển hoá arsenite thành methylarsonate độc nhờ S-adenosyl-L-methionine S-adenosyl-L-methionine Arsenite Methylarsonate 25 Báo cáo nhóm 4.3.4 Enzyme tham gia vào xử lý chất có hoạt tính bề mặt Các tác nhân có hoạt tính bề mặt hay hoạt động bề mặt chất hữu cơ, phân tử có tính phân cực mạnh thành phần chất tẩy Các chất có hoạt tính bề mặt gây ô nhiễm nghiêm trọng nồng độ cao ví dụ từ nhà máy xà phòng, hệ thống thoát nước thành phố phát sinh tượng không mong muốn việc tạo bọt Alkylsulfatase từ Pseudomonas C12B Pseudomonas putida từ Pseudomonasaeruginosa làm giảm hiệu suất chất có hoạt tính bề mặt xuống tới nồng độ 750 mg dm-3 Enzyme đặc hiệu với gốc alkyl sulfate, phá huỷ hoàn toàn gốc alkyl sulfate, alkyl ethoxy sulfate aryl sulfonate chất có hoạt tính bề mặt Tuy nhiên, thực tế, enzyme nàykhông thể công alkane sulfonate Nói chung, alkylsulfatase hứa hẹn ứng dụng tương lai việc xử lý phạm vi rộng chất có hoạt tính bề mặt có trongnước thải 4.3.5 Enzyme xử lý chất thải xyanua, Cyanide hydratase Người ta ước tính năm có khoảng triệu xyanua sử dụng toàn giới vào mục đích công nghiệp khác sản phẩm hoá học trung gian, tổng hợp tơ sợi, cao su dược liệu mỏ quặng mạ kim Ngoài ra, nhiều loài thực vật, vi sinh vật côn trùng có khả thải HCN với enzyme thủy phân Cuối cùng, thực phẩm hầu hết chứa hàm lượng đáng kể xyanua bắt nguồn từ cyanogenic glycoside có nguồn gốc từ vài loại thực phẩm Khi có mặt xyanua ức chế trình trao đổi chất, gây chết người sinh vật khác, cần phải loại bỏ chúng trước thải môi trường Cyanide hydratase (EC 4.2.1.66), formamide hydro-lyase enzyme có khả chuyển hoá cyanide nước thải công nghiệp thành amoniac formate thông qua bước phản ứng Cyanide hydratase phân lập từ vài loại nấm tạo từ nấm nồng độ xyanua thấp Khi cố định, tính bền Cyanide hydratase tăng lên nhiều enzyme từ Gloeocercospora sprrghi bền vững 26 Báo cáo nhóm từ Stemphylium loti Cyanide hydratase từ nấm thích hợp để xử lý chất thải công nghiệp chứa xyanua Cyanide hydratase Cyanide ( nước thải công nghiệp) NH3 + HCOOH Hoạt tính cyanidase không bị ảnh hưởng ion thông thường có mặt nước thải (ví dụ Fe2+, Zn2+ Ni2+), hay chất hữu acatat, formamide,acetamide acetonitrile pH tối ưu khoảng 7.8-8.3 hoạt tính hoàn toàn, không phục hồi pH cao 8.3.Tóm lại, việc sử dụng enzyme xử lý phế thải có tương lai đầy hứa hẹn Đâylà hướng nghiên cứu ứngdụng để sử dụng có hiệu enzyme trongcông nghệ xử lý phế thải sinh hoạt nước ta TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt Đỗ Quý Hai 2004 Giáo trình Hóa sinh đại cương, Tài liệu lưu hành nội Trường ĐHKH Huế 2.Lê Ngọc Tú (chủ biên), Lê Văn Chứ, Đặng Thị Thu, Phạm Quốc Thăng Nguyễn Thị Thịnh, Bùi Đức Hợi, Lưu Duẫn, Lê Doãn Diên, 2000 Hóa sinh Công nghiệp, Nxb KH&KT, Hà Nội 27 Báo cáo nhóm Tài liệu tiếng Anh Bergmeyer H U 1968 Methods of enzymatic analysis, translated from the third German edition, Acanamic, New York Copeland R A 2000 Enzymes, copyright by Wiley-VCH, Inc Lehninger A L 2004 Principles of Biochemistry, 4th Edition W.H Freeman Mikkelsen S R 2004 Bioanalytical chemistry, copyright by John Wiley & Sons, Inc Atkinson B and Mavituna F 1991 Biochemical Engineering and Biotechnology Handbook 2nd ed Stockton Press, New York, USA Flickinger MC and Drew SW 1999 Encyclopedia of Bioprocess Technology: Fermentation, Biocatalysis and Bioseparation John Wiley & Sons, New York, USA [...]... 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... 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... 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... 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... 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... mặt trong nước thải (ví dụ như Fe2+, Zn2+ và Ni2+), hay bởi các chất hữu cơ như acatat, formamide,acetamide và acetonitrile pH tối ưu trong khoảng 7.8-8.3 và mất hoạt tính hoàn toàn, không phục hồi khi pH cao hơn 8.3.Tóm lại, việc sử dụng enzyme trong xử lý phế thải có một tương lai đầy hứa hẹn Đâylà một trong những hướng nghiên cứu ứngdụng để sử dụng có hiệu quả enzyme trongcông nghệ xử lý phế thải sinh. .. 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... 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... 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... 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 ... nhóm MỤC LỤC 1.GIỚI THIỆU 2.CÂN BẰNG HÓA HỌC 2.1 .Cân hóa học gì? 2.2.Sự chuyển dịch cân hóa học 2.3.Hằng số cân hóa học 2.4.CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CÂN BẰNG HÓA HỌC 2.4.1.Ảnh hưởng nồng độ 2.4.2.Ảnh... thái cân tất chất phản ứng sản phẩm Vì trạng thái cân đặc biệt cân hóa học lĩnh vực sinh học quan trọng cần thiết Báo cáo nhóm 2.CÂN BẰNG HÓA HỌC 2.1.CÂN BẰNG HÓA HỌC LÀ GÌ ? Theo động hóa học: ... không đổi Cân hóa học đặc trưng hệ số cân (Keq) ,Cân hóa học cân động 2.2.SỰ CHUYỂN DỊCH CÂN BẰNG HÓA HỌC Sự chuyển dịch cân hóa học di chuyển từ trang thái cân sang trạng thái cân khác tác động