Sinh tổng hợp axit amin

Tiểu luận Hóa học protein HVTH: Hoàng Anh Tố Mai  PAGE 10 Lớp: Sinh học thực nghiệm 2011 I. MỞ ĐẦU .................................................................................................................. II. NỘI DUNG ……………………………………………………………………….. 1. VAI TRÒ, Ý NGHĨA SINH TỔNG HỢP AMINOACID 2. CÁC CÁCH SINH TỔNG HỢP AMINOACID 2.1. Sinh tổng hợp từ cơ thể sống 2.1.1. Tổng hợp khung cacbon a. G3P từ chu trình Calvin hay Calvin-Benson-Bassham b. Acid pyruvic từ quá trình đường phân c. Al – keto acid từ chu trình Krebs : 2.1.2. Chuyển hóa nitơ thành amino acid a. amin hóa b. amide hóa c. chuyển vị amin d. nhờ ATP e. oxim hóa 2.1.3. Quá trình tổng hợp một số amino acid quan trọng 2.2 . Phương pháp nhân tạo tổng hợp amino acid III. KẾT LUẬN ............................................................................................................. IV. TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... I. MỞ ĐẦU Acid amine (aa) là một loại hợp chất hữu cơ tạp chức mà trong phân tử có chứa cả nhóm chức nhóm amino (−NH2) lẫn nhóm chức acid (nhóm cacboxyl, −COOH). acid amine là đơn vị cấu tạo nên protein, từ đó góp phần quy định các tính trạng khác nhau trong hoạt động sống của cơ thể. Bởi vậy quá trình tổng hợp acid amine rất quan trọng. Tuy nhiên, khả năng tổng hợp các acid amine ở các cơ thể khác nhau là rất khác nhau, phụ thuộc vào các dạng N mà chúng có thể sử dụng được. Không như những loài thực vật bậc cao có thể tự tổng hợp được tất cả các loại acid amine cần cho cơ thể, các loài động vật chỉ có thể tự tổng hợp một phần, và khả năng này là khác nhau ở các loài động vật khác nhau. II. NỘI DUNG 1. Vai trò, ý nghĩa sinh tổng hợp amino acid: Acid amin là thành phần cấu tạo của protein. Bởi vậy quá trình tổng hợp axit amin là cần thiết đối với mọi dạng sống. Tuy nhiên, khả năng tồng hợp các acid amin ở các cơ thể khác nhau lại rất khác nhau phụ thuộc vào dạng nitơ mà chúng có thể sử dụng . Thực vật bậc cao có khả năng tự tổng hợp tất cả các acid amin cần cho sự tổng hợp protein bằng cách sử dụng nguồn nitơ từ amoni lẫn nitrat . Đối với vi sinh vật, khả năng tổng hợp acid amin của chúng khác nhau nhiều. Ví dụ như: leuconostoc mesenteroid không có khả năng tổng hợp 16 acid amin cần thiết cho sự sinh trưởng của nó, nhưng E.Coli có thể tạo ra tất cả các amino acid cần thiết cho chúng từ amoni. Động vật có xương sống bậc cao có thể tổng hợp được một số acid amin, những acid amin còn lại gọi là acid amin không thay thế, cơ thể phải lấy từ nguồn thức ăn bên ngoài. Dưới đây, tôi chỉ xét 2 phần chính trong sinh tổng hợp acid amin là: tổng hợp khung carbon và các con đường chuyển hóa nitơ . 2. Các cách sinh tổng hợp amino acid: Axit amin được cấu tạo bởi ba thành phần: một là nhóm amin (-NH2), hai là nhóm cacboxyl (-COOH) và cuối cùng là nguyên tử cacbon trung tâm đính với 1 nguyên tử hyđro và nhóm biến đổi R quyết định tính chất của axit amin. 2.1. Sinh tổng hợp từ cơ thể sống 2.1.1 Tổng hợp khung cacbon Khung carbon dùng để tổng hợp amino acid lấy từ các chu trình Calvin, quá trình đường phân và chu trình Krebs thường là glyceraldehyde 3-phosphate (G3P), acid pyruvic, al-ketoglutarate, oxaloacetate. a. G3P từ chu trình Calvin hay Calvin-Benson-Bassham Là một loạt các phản ứng  HYPERLINK "" \t "_top" sinh hóa diễn ra trong  HYPERLINK "" \t "_top" stroma của  HYPERLINK "" \t "_top" lạp lục trong  HYPERLINK "" \t "_top" các sinh vật  HYPERLINK "" \t "_top" quang (là chuỗi phản ứng trong pha tối của quá trình quang hợp).It was discovered by  HYPERLINK "" \t "_top" Melvin Calvin ,  HYPERLINK "" \t "_top" James Bassham and  HYPERLINK "" \t "_top" Andrew Benson at the  HYPERLINK "" \t "_top" University of California, Berkeley  HYPERLINK "" \l "cite_note-0" [ 1 ] by using the radioactive element,  HYPERLINK "" \t "_top" Carbon-14 . Nó được phát hiện bởi  HYPERLINK "" \t "_top" Melvin Calvin,  HYPERLINK "" \t "_top" James Bassham và  HYPERLINK "" \t "_top" Andrew Benson tại  HYPERLINK "" \t "_top" Đại học California, Berkeley bằng cách sử dụng các nguyên tố phóng xạ,  HYPERLINK "" \t "_top" Carbon-14. Sơ đồ : Một số bước quan trọng trong chu trình Calvin tổng hợp nên khung carbon glyceraldehyde 3-phosphate (G3P) . Bước1: CO2 kết hợp với ribulose 1,5 - bisphosphate tạo nên 2 phân tử 3-phosphoglycerate với enzyme xúc tác là diphosphoribulose carboxylase . Bước 2: tạo 1,3 - diphosphoglycerate (phosphoryl hóa 3-phosphoglycerate có sự tham gia của ATP và enzyme phosphoglycerate kinase). Bước 3: tạo G3P (sản phẩm ở bước 2 bị khử dưới sự tác dụng của enzyme triosphosphate dehydrogenase và có sự tham gia của NADPH). Trong đó, 1 phân tử G3P được tách ra khỏi chu trình làm khung carbon tổng hợp đường, acid béo hoặc amino acid. Các phản ứng tiếp theo chỉ là những biến đổi để tái tạo lại ribulose 1,5 - bisphosphate đồng thời khép kín chu trình . b. Acid pyruvic từ quá trình đường phân Đường phân xảy ra trong bào tương. Kết thúc quá trình đường phân, phân tử glucose bị tách thành 2 phân tử acid piruvic. Trong quá trình này, tế bào thu được 2 phân tử ATP và 2 phân tử NADH. Thực ra, đường phân tạo được 4 phân tử ATP, nhưng do có 2 phân tử ATP được sử dụng để hoạt hóa glucose trong giai đoạn đầu của đường phân nên tế bào chỉ thu được 2 phân tử ATP. Quá trình đường phân có thể tóm tắt bằng sơ đồ: Bước 1: tạo glucose - 6 - phosphate (gắn gốc phosphate vào glucose). Bước 2: tạo fructose - 6 - phosphate (chuyển đổi từ glucose-6-phosphate). Bước 3: tạo fructose - 1,6 - bisphosphate (gắn 1 gốc phosphate vào fructose-6- phosphate ). Bước 4 + 5 : cắt mạch tạo 3 - phosphoglyceraldehyde (tạo thành 3- PGAL hay glycerate 3-phosphate G3P và đồng phân cấu tạo của nó chứa nhóm keto, đồng phân hóa keto thành aldehyde bằng enzyme phosphotriozisomerase). Bước 6 : phosphoryl hóa 3 - PGAL tạo cầu nối giàu năng lượng. Bước 7 : tổng hợp ATP (= cách phosphoryl hóa ở mức cơ chất). Bước 8: tạo 2 - phosphoglyceraldehyde từ 3-phosphoglyceraldehyde bằng enzyme phosphoglyceromurase. Bước 9: tách nước từ 2 - phosphoglyceraldehyde . Bước 10: tạo ATP và acid pyruvic bằng phản ứng phosphoryl hóa ở mức cơ chất . c. Al – keto acid từ chu trình Krebs : Chu trình acid citric, còn gọi là chu trình acid tricarbocylic (hay chu trình ATC), chu trình Krebs, hoặc chu trình Szent-Györgyi-Krebs. Nó cần nguyên liệu từ quá trình đường phân của  HYPERLINK "" \o "Gluco (trang chưa được viết)" glucose mà cụ thể là pyruvate (quá trình đường phân của glucose có phân giải háo khí vá phân giải kị khí, chu trình Krebs nằm trong sự phân giải háo khí , lấy pyruvate từ các giai đoạn trước) . Thông qua chu trình này, glucose bị phân giải hoàn toàn đến CO2, H2O và giải phóng toàn bộ năng lượng (một phần ở dạng hóa năng của ATP (12 ATP từ Krebs, 38 ATP từ sự oxi hóa hoàn toàn 1 phân tử glucose) và một phần ở dạng nhiệt năng) . Các nguồn carbon từ chu trình này như acetyl CoA, CO2, keto acid là nguồn carbon cho các quá trình tổng hợp khác nhau. Trong đó, keto acid như al - ketoglutarate, oxaloacetate là nguyên liệu tổng hợp glutamate và aspatate . Tóm tắt chu trình :  Bước 1: trước chu trình, pyruvate bị khử nhóm COO- và bị oxi hóa đưới tác dụng của một phức hệ đa enzyme pyruvate oxidase hay pyruvate decarbocylase, có coenzyme là coenzyme A, NAD+, hay FDA. Sản phẩm là acetyl CoA có chứa liên kết cao năng. Bước 2: nhóm acetyl của acetyl CoA được chuyển cho oxaloacetate, giải phóng CoA và citrate . Bước 3: tạo isocitrate (dùng enzyme aconitase để đồng phân hóa sp ở B2 thành isocitrate) Bước 4: isocitrate bị oxi hóa ( enzyme là isocitrate dehidrogenase, coenzyme là NAD+ hoặc NADP+ ), sản phẩm tiếp tục bị khử tạo thành al – ketoglutarate . Bước 5: al – ketoglutaratebị khử do phức hệ enzyme al-ketoglutarate dehydrogenase , coenzyme là NAD+. Sản phẩm là succinyl CoA có liên kết thio-este giàu năng lượng và CO2 . Các bước 6, 7, 8, 9 là sự biến đổi từ succinyl CoA trở lại thành oxaloacetate, cung cấp GTP , FADH2, NADH+… cho hệ thống vận chuyển điện tử để tạo nước, ATP. 2.1.2. Chuyển hóa nitơ thành aa. Có nhiều con đường để sinh tổng hợp aa và có nhiều cách phân loại các con đường này . Mỗi cách phản ánh cơ chế tổng hợp , hay loại enzyme xúc tác … Có con đường trên lý thuyết tổng hợp được mọi aa , nhưng có những aa được tổng hợp bằng những con đường đặc trưng của nó như acid glutamic và alanin được tổng hợp bằng con đường amine hóa , asparagine và glutamine được tổng hợp bằng con đường amide hóa . Các con đường sinh tổng hợp amino acids . a. amine hóa . b. amide hóa c. nhờ ATP d. chuyển vị amin e. oxim hóa a. Amine hóa Một số acid béo không no và ceto acid có thể amine hóa để tạo nên amino acid tương ứng Về nguyên tắc, mọi amino acid đều có thể được tổng hợp bằng con đường này từ các acid tương ứng. Nhưng trong tế bào chỉ có 2 enzyme là glutamate dehydrogenase và pyruvate dehydrogenase có hoạt độ mạnh để thực hiện xúc tác loại phản ứng trên, còn các enzyme khác không có khả năng xúc tác cho nên trong thực tế chỉ có glutamic acid và alanin là 2 amino acid được tổng hợp bằng con đường này. b. Amide hóa Những monoamino dicarbocyl có thể bị amide hóa tạo amino acid mới. Điển hình là glutamic acid và aspartic acid có dạng amide là glutamine và asparagine. c. Nhờ ATP Quá trình tổng hợp amino acid nhờ ATP xảy ra qua 2 giai đoạn Đây là phản ứng hoạt hóa nhóm NH2 nhờ ATP tạo thành AMP~NH2 . AMP~NH2 thực hiện phản ứng chuyển vị cho keto acid để tạo amino acid tương ứng . Thực chất con đường này cũng là hình thức amine hoá các keto acid nhưng không sử dụng dehydrogenase mà sử dụng ATP d. chuyển vị amin Amino acid có thể bị phân giải bằng con đường chuyển vị amine đồng thời với việc tổng hợp một amino acid khác. Nhờ quá trình này mà thành phần các amino acid luôn được đổi mới phù hợp với nhu cầu của cơ thể trong quá trình sống. Sơ đồ chuyển hóa giữa alpha - keto acid (pyruvate, al-ketoglycerate, oxalo acetate) và alpha - amino acid (trừ lysin và threonine). Kết quả là acid amin trở thành keto acid tương ứng, keto acid chuyển thành các acid amin tương đương (alanine, glutamate, aspatate). Các enzyme xúc tác cho kiểu phản ứng này thuộc nhóm aminotransferase cócoenzyme là piridoxalphosphate .Tiểu luận Hóa học protein PAGE  HVTH: Hoàng Anh Tố Mai  PAGE 17 Lớp: Sinh học thực nghiệm 2011 Nhờ sự chuyển amine mà nhiều aminoacid được tạo thành. Những ví dụ quan trọng nhất là:a-cetoglutaric acid => glutamic acid Oxaloaceticacid => asparticacid glyoxylic acid => glycine pyruvic acid => alanine hydroxy pyruvic acid => serine a-ceto hydroxybutyric acid => threonineGlutaminsemialdehyde => ornithin e. oxim hóa Ở một số vi sinh vật và thực vật có khả năng cố định Nitơ tự do – quá trình cố định đạm. Qua quá trình cố định N2, NH2OH được hình thành làm nguyên liệu cho quá trình tổng hợp amino acid theo cách oxim hóa. Ngoài ra ở một số vi sinh vật và ở thực vật còn có quá trình khử nitrat (NO3-) thành ammoniac (NH3). Trong quá trình biến đổi theo hướng này NH2OH được tạo thành trước khi tạo NH3. NH2OH làm nguyên liệu để tổng hợp amino acid bằng cách oxim hóa. Quá trình oxim hóa xảy ra qua 2 giai đoạn. - Các ceto acid kết hợp với NH OH tạo nên oxim tương ứng Ở vi sinh vật và thực vật, đây là con đường tổng hợp amino acid quan trọng. 2.1.3. Quá trình tổng hợp một số amino acid - Tổng hợp alanine từ pyruvate bằng con đường chuyển vị acid amin có xúc tác của enzyme pyruvate dehydrogenase: - Tổng hợp glutamine và glutamate * Sự tổng hợp glutamine qua 2 bước: hoạt hóa glutamate thành sản phẩm trung gian gama - glutamylphosphate nhờ enzyme glutamine synthetase cùng với sự biến đổi ATP thành ADP, sau đó phản ứng với NH3 thay nhóm phosphate bằng nhóm amino. * Sự tổng hợp glutamate: từ 2-oxoglutarate và glutamine được xúc tác bời enzyme glutamate synthases. Đây là con đường quan trọng để tổng hợp glutamte đối với vi khuẩn và lục lạp của thực vật. từ 2-oxoglutarate và aminoacid, phản ứng này xảy ra chủ yếu ở gan , là cơ quan trung tâm của sự biến đổi amino acid ở động vật. - Tổng hợp asparagine từ aspartate theo con đường chuyển vị amine có xúc tác của enzyme asparagine synthethases. 2.3. Phương pháp nhân tạo tổng hợp amino acids : Tại công ty Sekisui ở Nhật, DL-amino acids được tổng hợp từ tiền chất hydantoins. Dùng DL-amino acids đã được tổng hợp để cô lập các D-acid amin, L-acid amin bằng phương pháp enzyme hoặc phương pháp quang hoạt. Tổng hợp DL – amino acid III. KẾT LUẬN: Acid amine cấu trúc nên protein, do đó khi thiếu một loại acid amine nào đó cũng có những biểu hiện không tốt cho cơ thể. Việc nghiên cứu quá sinh tổng hợp acid amine từ đó đặt cơ sở cho quá trình sản xuất các chế phẩm acid amine từ sinh vật là hướng nhằm cung cấp đầy đủ acid amine cho con người và vật nuôi. IV. TÀI LIỆU THAM KHẢO: Đỗ Quý Hai (chủ biên), 2008. Giáo trình Hoá Sinh. Nxb ĐH-Huế. Cao Đăng Nguyên , 2011. Giáo trình Protein. Đại học Khoa học Huế, khoa Sinh học. 3. 4.