Bài giảng Hóa sinh đại cương - Chương 6: Carbohydrate

Chƣơng 6: CARBOHYDRATE - Là các polyhydroxy aldehyde hay ketone, hay các h/chất khi bị th/phân cho ra những chất trên. - Không phải mọi carbohydrate có công thức c/tạo là (CH2O)n, một số chứa cả N, P, hay S). 6.1. ĐẠI CƢƠNG VỀ CARBOHYDRATE 6.1.1. Định nghĩa 6.1.2. Chức năng sinh học - Thuật ngữ “saccharide”: “sakchron” (tiếng Hy Lạp) = “đường” - Cung cấp dinh dưỡng, năng lượng - Dự trữ năng lượng (glycogen, tinh bột) - Thành phần cấu tạo của tế bào - Th/phần c/tạo của một số chất có h/tính s/học (nucleotide, coenzyme) - Monosaccharide - Oligosaccharide - Polysaccharide 6.1.3. Phân loại 6.2. CÁC MONOSACCHARIDE 6.2.1. Định nghĩa - Là carbohydrate đơn giản nhất (đường đơn), có  2 nhóm OH, dạng aldehyde hay ketone - Theo số C được gọi là: triose (3C), tetrose (4C), pentose (5C), hexose (6C), Tetrose (4C) Pentose (5C) Hexose (6C) Triose (3C) Các aldose: Các ketose: Ketotriose (3C) (4C) (5C) (6C) Ketotetrose Ketotriose Ketopentose Ketohexose 6.2.2. Đồng phân quang học Ở đ/vật và th/vật, các đường đơn chỉ tồn tại ở hàng D. - Đường đơn có thể tồn tại ở dạng mạch thẳng hoặc vòng. 6.2.3. Cấu trúc dạng vòng 6.2.4. Dẫn xuất của đƣờng đơn - Dẫn xuất amin hóa (Amino sugars): Dẫn xuất của đƣờng - Rượu đường (Sugar alcohol): Các dẫn xuất của đƣờng đơn: - Acid đường - Các dẫn xuất phosphoryl hóa (Sugar phosphates): Một số dẫn suất của hexose có vai trò sinh học quan trọng 6.2.5. Một số monosaccharide quan trọng - Triose: D-glyceraldehyde và dihydroxyacetone là những SPTG của chuyển hóa carbohydrate. - Pentose: Ribose và deoxyribose là 2 pentose quan trọng th/gia c/tạo nucleic acid. - Hexose: là đường gặp nhiều nhất trong cơ thể SV. D-glucose: phổ biến nhất trong tự nhiên, là th/phần c/tạo nhiều loại oligosaccharide và polysaccharide. Có mặt khắp các dịch và mô bào trong cơ thể đ/vật, là cơ chất ch/hóa chủ yếu của carbohydrate ở người và đ/vật. D-fructose: Có nhiều trong quả chín. Cùng với glucose, fructose là SPTG của nhiều con đường TĐC q/trọng (đường phân, chu trình pentose, ) Trong cơ thể thường tồn tại dưới dạng β-D-fructofuranose. D-galactose: là th/phần c/tạo của lactose (đường sữa) 6.3. OLIGOSACCHARIDE 6.3.1. Định nghĩa Có từ 2-20 đường đơn nối với nhau bằng l/kết glycoside 6.3.1. Các oligosaccharide phổ biến - Maltose: nhiều trong mầm lúa, kẹo mạch nha, ... ít ở dạng tự do, chủ yếu tạo thành khi th/phân t/bột và khi hạt nảy mầm. Cấu tạo từ 2 D-glucose nối bằng l/k glycoside (C1-C4). Có OH tại C1 tự do  là một đường có tính khử. Maltose - Lactose: tạo thành từ D-galactose và một D-glucose. Cũng là disaccharide có tính khử do nhóm OH ở C1 của glucose ở tr/thái tự do. - Saccharose (sucrose): có nhiều trong củ cải đường, mía Hai đường đơn nối với nhau bằng l/kết 1,2-glycoside. Không có tính khử. Động vật không t/hợp được. Là SPTG của quang hợp, trong cơ thể thực vật là dạng v/c đường từ lá về các bộ phận khác. - Hợp chất cao phân tử, có trên 20 gốc monosac. - Còn gọi là glycan, khác nhau về đ/vị c/tạo, độ dài của mạch và độ phân nhánh. - Không có vị ngọt, không tạo thành d/dịch thật khi tan trong nước, chỉ tạo ra d/dịch keo. - Trong cơ thể s/vật, chủ yếu giữ vai trò cấu trúc hoặc dự trữ. - Khác với protein: không có PTL đặc trưng (do khác về cơ chế STH). Protein được t/hợp theo khuôn mẫu (mRNA) với trình tự và độ dài xác định. STH polysaccharide không theo khuôn mẫu, chương trình STH polysaccharide do bản chất của enzyme xúc tác và không có điểm kết thúc đặc trưng trong q/trình tổng hợp. - Có 2 loại: thuần và tạp 6.4. POLYSACCHARIDE Polysaccharide thuần (homopolysaccharide) Polysaccharide tạp (heteropolyssaccharide). Một loại monose không phân nhánh Một loại monose phân nhánh Hai loại monose không phân nhánh Hai loại monose phân nhánh 6.4.1. Polysaccharide thuần - Chỉ chứa 1 loại đ/vị c/tạo duy nhất - Một số đóng vai trò dự trữ các gốc đường đơn để c/cấp nhiên liệu cho cơ thể (tinh bột, glycogen) Cellulose và chitin là yếu tố cấu trúc của thành t/bào th/vật và vỏ cứng của côn trùng, giáp xác. - Tinh bột: do th/vật tạo ra; có ở hạt, củ, quả; là nguồn n/lượng dự trữ q/trọng của th/vật và là TĂ của người và đ/vật. Ở mô th/vật, tồn tại ở dạng hạt có h/dáng k/thước và c/tạo khác nhau tùy nguồn gốc; không tan trong nước lạnh; khi bị đun nóng tạo d/dịch keo (hồ tinh bột), cho màu xanh tím với iod. Amylose: mạch thẳng, α-D-glucose nối với nhau bằng l/kết (α 1→ 4) glycoside, tan trong nước, cho màu xanh với iod. Có 2 th/phần: - amylose (khoảng 20%) - amylopectin (khoảng 80%) Amylopectin: các α-D-glucose nối nhau bằng l/kết (α 1→ 4) và tại điểm phân nhánh là (α 1→ 6). Từ 24 đến 30 gốc glucose lại có 1 điểm phân nhánh. Không tan trong nước, tạo thành tính keo của hồ tinh bột, cho màu tím với iod. Tinh bột bị th/phân bởi enzyme tiêu hóa tạo thành các SPTG (gọi chung là dextrin) cho màu khác nhau với iod, sau đó thành maltose, rồi glucose: Hồ tinh bột (màu xanh tím với iod) → Amylodextrin (màu tím với iod) → Erythrodextrin (tím nhạt đến đỏ nâu với iod) → Achromodextrin (màu đỏ nâu với iod) → Maltose (không cho màu với iod) → Glucose (không cho màu với iod). Amylopectin (a): Cấu trúc mạch thẳng của amylose (b): Cấu trúc mạch nhánh của amylopectin - Glycogen: Là polysaccharide dự trữ của động vật. Trong phân tử, các glucose nối với nhau bằng l/kết (α 1→ 4) và l/kết (α 1→ 6) tại điểm phân nhánh. Phân nhánh nhiều hơn amylopectin (cứ 8 - 10 gốc glucose có 1 điểm phân nhánh). - Cellulose: là polysaccharide thuần, không nhánh, 10.000 - 15.000 đ/vị β- D-glucosec nối với nhau bằng l/kết (β 1→ 4) Nhiều đ/vật không tiêu hóa được, vì không có enzyme th/phân l/kết (β1→ 4) glycoside. Loài nhai lại, thỏ, ngựa s/dụng được cellulose, nhờ VSV cộng sinh trong đường t/hóa tiết ra enzyme cellulase ph/giải được cellulose. - Chitin: Các N-acetylglucosamine nối nhau bằng l/kết  14 glycoside 6.4.2. Polysaccharide tạp C/tạo từ nhiều loại monosaccharide, dẫn xuất của các monosaccharide hay còn có thêm những chất khác. - Hemicellulose: polysaccharide của xylose (xylan), arabinose (araban), mannose (mannan), galactose (galactan); cùng với cellulose tạo nên vách TB th/vật, có nhiều trong rơm, rạ, bẹ ngô, trấu, .... - Pentosane: cấu tạo từ arabinose và xylose - Pectine: cấu tạo từ nhiều galacturonic acid, một nhóm COOH của acid này este hóa với methanol - Polysaccharide tạp của vách TB vi khuẩn (peptidoglycan) Chuỗi gồm các gốc N- acetylglucosamine (GlcNAc) và N- acetylmuramic acid (Mur2Ac) nối luân phiên bằng l/kết (β1→ 4). Các chuỗi lại gắn với nhau bằng l/kết ngang qua một đoạn peptide ngắn (có cấu trúc phụ thuộc vào từng loài vi khuẩn). Lysozyme diệt khuẩn vì thủy phân l/kết (β1→ 4) trên. Penicillin và các kháng sinh khác diệt khuẩn vì ngăn cản sự tổng hợp đoạn peptide trên, làm thành t/bào vi khuẩn yếu, có thể bị vỡ. 6.5. SỰ TỔNG HỢP CARBOHYDRATE 6.5.1. Sơ lƣợc về quá trình quang hợp - Các dạng NL sinh học đều bắt nguồn từ á/sáng m/trời. - S/vật q/hợp sử dụng NL á/sáng để t/hợp glucose và các chất h/cơ khác; các chất này được s/vật dị dưỡng s/dụng để kh/thác NL và nguồn C. - Phương trình tổng quát của quang hợp ở thực vật - Pha sáng: tạo NADPH và ATP nhờ NL á/sáng. - Pha tối: NADPH và ATP được s/dụng để khử CO2, tạo ra các triose và các h/chất ph/tạp hơn (như glucose). + Pha sáng của quang hợp (quang phosphoryl hoá): Xảy ra qt quang phân ly nước, g/phóng O2. NL á/s được dùng để khử NADP+ thành NADPH và phosphoryl hoá ADP thành ATP Quang phosphoryl hoá vòng: - Xảy ra ở QHI có tr/tâm p.ứ. là P700. P700 hấp thụ NL photon và chuyển sang tr/thái k/thích (P*700) có thế khử chuẩn cao - Điện tử của P*700 được chuyển về P700 đã bị OXH, qua một loạt các các chất vc tr/gian (ferredoxin, cytochrome bf, cuối cùng là plastocyanin) - Sự v/c điện tử làm H+ bị bơm qua màng thylakoid, tạo ra một gradient H+, dẫn đến tổng hợp ATP. - Không tạo NADPH - Không giải phóng O2. Hai kiểu quang phosphoryl hóa: vòng và không vòng Quang phosphoryl hoá không vòng: • Th/gia đồng thời cả QHI và QHII • Điện tử không được vc khép kín; ngoài ATP, SP còn là NADPH và O2. • Các s/vật q/hợp có nhả O2 (th/vật, tảo, vi khuẩn lam) có cả QHI và QHII, các s/vật không nhả O2 chỉ có QHI. Đ/tử chuyển liên tục từ QHII sang QHI. P700 nhận photon, bị kích thích, dạng P*700 có thế khử chuẩn cao. Ở tr/thái không bền này, e- của nó được s/dụng để khử NADP+  NADPH. E- được chuyển qua một loạt các chất tr/gian có thế năng khử chuẩn giảm dần: A0, A1, một tr/tâm chứa Fe-S, Fd (một FP), ferredoxin:NADP+ oxidoreductase. NADP+ đồng thời nhận e- từ P*700 và H+ từ q/trình quang phân ly H2O,  tạo thành NADPH. Sau khi mất e-, P700 của QHI nhận e- từ QHII. P680 của QHII nhận photon ánh sáng,  dạng k/thích P*680 (có thế năng khử chuẩn khoảng -0,8V). Sau đó e- từ P*680 chuyển đến P700 của QHI, qua một loạt các chất vc tr/gian: Pheo (pheophitin), PQA và PQB (những protein chứa plastoquinon), ph/hợp cyt. bf và plastocyanin. E- trả lại cho P680 của QHII bắt nguồn từ H2O. Ở vi khuẩn lam (cyanobacteria) và th/vật có q/trình quang phân ly H2O, nhả ra O2. H + của H được dùng để khử NADP+ (như đã nêu ở trên), còn e- (từ H) được chuyển cho P680 của QHII. K/quả của sự vc e- qua các chất tr/gian cũng tạo ra 1 gradient H+ dẫn đến q/trình tạo ATP. + Pha tối của quang hợp (đồng hóa CO2) Ba giai đoạn của chu trình Calvin 6.5.2. Tổng hợp disaccharide và tinh bột a. Tổng hợp sucrose - Xảy ra ở cytosol - Cơ chế: DHAP + GAP  F-1,6-diP F-1,6-diP  F-6-P + Pi Tiếp tục như sơ đồ bên trái b. Tổng hợp lactose - Disaccharide duy nhất được tổng hợp ở đ/vật cấp cao - Được t/hợp ở tuyến sữa khi có thai và cho con bú c. Tổng hợp tinh bột ADP-glucose là cơ chất cho sự t/hợp t/bột ở th/vật và glycogen ở VSV, được tạo thành từ glucose-1-phosphate - Tổng hợp amylose: ADP-glucose + Đoạn mồi (n) glucose → ADP + Đoạn mồi (n+1) glucose Glucose tách ra khỏi ADP và gắn vào đầu không khử (C4) của chuỗi polysaccharide đang hình thành. - Tổng hợp amylopectin: Enzyme rẽ nhánh của diệp lạp thể (tương tự enzyme rẽ nhánh glycogen) cắt đứt và chuyển một oligosaccharide trên chuỗi mạch thẳng amylose đến một vị trí khác trên cùng một chuỗi và hình thành l/kết α 1→6 glycoside. Chuỗi vừa được hình thành lại tiếp tục được kéo dài, nhờ enzyme tổng hợp amylose. • Còn gọi là tinh bột đ/vật, được t/hợp ở gan và cơ • Cơ chế: d. Tổng hợp glycogen Glucose + ATP → Glucose-6-phosphate + ADP - Hoạt hóa đường glucose do hexokinase x/tác: - Đồng phân hóa G-6-P do phosphoglucomutase x/tác: Glucose-6-phosphate → Glucose-1-phosphate - Tạo UDP-glucose do UDP-glucose pyrophosphorylase x/tác: Glucose-1-phosphate + UTP → UDP-glucose + PPi - Tạo chuỗi amylose do glycogen synthetase x/tác: - Tạo mạch nhánh của glycogen nhờ enzyme rẽ nhánh Khi chuỗi thẳng có ít nhất 11 gốc glucose, enzyme rẽ nhánh sẽ chuyển đoạn 6-7 gốc glucose của đầu không khử của nhánh đến gắn với C6 của phân tử glucose của cùng chuỗi hoặc một chuỗi khác. Một liên kết (α 1→6) glycoside hình thành (một chuỗi mới được tạo ra) Đoạn còn lại của nhánh cũ và nhánh mới lại tiếp tục được kéo dài. 6.6. SỰ PHÂN GIẢI CARBOHYDRATE 6.6.1. Sự phân giải glycogen - Tại gan và cơ, glycogen được phân giải chủ yếu theo cơ chế phosphoryl phân (có Pi tham gia) - Glycogen phosphorylase, cắt lk  14 glycoside - SP là glucose-1-phosphate, tách ra từ đầu không khử Phosphoryl phân glycogen Đầu không khử Điểm rẽ nhánh Glycogen phosphorylase Hoạt tính transferase Dextrin giới hạn Amylo-1,6-glucosidase (n gốc glucose) (n -1 gốc glucose) Khi chuỗi còn khoảng 4 gốc glucose kể từ vị trí ph/nhánh, glycogen phosphorylase bị ức chế. Oligotransferase sẽ h/động, cắt đoạn 3 gốc glucose khỏi chuỗi ngắn còn lại và gắn vào đầu không khử của chuỗi thẳng khác trong ph/tử nhờ lk (14) Nhánh glycogen mới dài thêm 3 gốc glucose tiếp tục bị phosphorylase ph/giải 6.6.2. Sự phân giải tinh bột (TB) Tác động của các loại amylase đến amylopectin - TB (kể cả glycogen khi bị t/hoá) bị th/phân bởi các amylase khác nhau. - Mỗi loại có cách tác động riêng, cho ra các s/phẩm khác nhau. - -amylase (nước bọt, tuyến tụy) th/phân một cách ngẫu nhiên, không có trật tự, các lk ( 14) glycoside trong p.tử amylose, trước hết cho ra các oligosaccharide chứa 6-7 gốc glucose, rồi đến các các ph.tử maltose và glucose. Trong phần mạch nhánh amylopectin, -amylase chỉ th/phân các lk  14, để lại phần có lk  16 (các dextrin giới hạn). --amylase (trong các hạt nảy mầm) th/phân các lk ( 1 4) glycoside, một cách có trật tự tách ra từ đầu không khử từng ph/tử maltose. Trong amylopectin, t/dụng cũng dừng lại tại vị trí phân nhánh, còn lại các tảng dextrin giới hạn. --amylase (glucoamylase) th/phân các lk ( 14) glycoside từ đầu không khử, tách dần từng phân tử glucose. - Amylopectin-1,6-glycosidase th/phân các lk ( 16) glycoside trong p.tử amylopectin (t/dụng vào các điểm phân nhánh); có nhiều trong dịch tiết của ruột non. 6.7. HÓA SINH HÔ HẤP - Hô hấp TB là q/trình OXH hoá các h/chất h/cơ đến tận CO2 và H2O; NL gi/phóng phần lớn biến thành NL trong các lk phosphate cao năng của ATP. - Q/trình hô hấp gồm 2 gđ: 1) tách H từ cơ chất chuyển tới NAD+, FAD tạo NADH và FADH2. 2) NADH và FADH2 bị ôxy hoá bởi ôxy. - Hô hấp không chỉ có v/trò kh/thác n/lượng, OXH carbohydrate còn tạo ra nhiều SPTG q/trọng cần cho sự t/hợp các chất h/cơ cũng như các qt ch/hoá khác. - S/vật có 2 kiểu h/hấp: yếm khí và hiếu khí (giống nhau ở những biến đổi đầu tiên của glucose - qt đường phân). - (Ngoài carbohydrate, lipid và protein cũng là ng/liệu cho hô hấp). 6.7.1. Quá trình đƣờng phân (Glycolysis) - Xảy ra trong tế bào chất (cytosol) - Là chuỗi các p.ứ. biến glucose thành pyruvate, một phần NL được g/phóng dưới dạng NAD.H và ATP. - - Gồm 2 giai đoạn: chuẩn bị (5 ph/ứng đầu) và phosphoryl hoá (5 ph/ứ tiếp). Ph.trình tổng quát: 1 glucose  2 pyruvate + 2 ATP + 2NAD.H Glycogen, tinh bột, các loại disaccharide và các hexose đi vào quá trình đƣờng phân. 6.7.2. Các đƣờng hƣớng chuyển hóa của pyruvate a. Chuyển hoá Pyruvate trong điều kiện yếm khí (Fermentation) Ở tế bào cơ đ/vật, vi kuẩn Lactobacillus): Tùy loài, pyruvate chuyển thành các chất khác nhau Ở tế bào men rượu (Saccharomyces cerevisie): b. Chuyển hóa pyruvate trong điều kiện hiếu khí Pyruvate sẽ bị khử carboxyl OXH thành acetyl.CoA; chất này có thể đi vào chu trình citric acid và bị OXH thành CO2 và nước. c. Pyruvate là tiền chất của các chất hữu cơ khác - Pyruvate = mắt xích q/trọng trong ch/hoá carbohydrate và protein; là tiền chất để tạo Ala. Thông qua pư chuyển amin, nhóm amin từ Ala hình thành các amino acid khác, rồi thành protein. - Từ pyruvate tạo ra acetyl.CoA (ng/liệu để t/hợp lipid). - Là ng/liệu t/hợp carbohydrate, trước hết là glucose. Sự b/đổi pyruvate thành glucose là 1 đường hướng tân tạo đường (gluconeogenesis ). Có sự khác nhau về enzyme của 2 quá trình đƣờng phân và tân tạo đƣờng Đƣờng phân: Hexokinase Phosphofructose kinase Pyruvate kinase Tân tạo đƣờng: Glucose-6-phosphatase Fructose-1,6- bisphosphatase Pyruvate carboxylase PEP carboxykinase 6.7.3. Chu trình citric acid - Còn gọi là vòng Krebs hay chu trình các tricarboxylic acid - Xảy ra trong chất nền ty thể - Là cơ chế để OXH hoàn toàn các SPTG của sự ph. giải carbohydrate, acid béo và acid amin Ý nghĩa của chu trình citric acid • Vai trò tr/tâm trong qt TĐC và NL, có ý/n cả đối với dị hóa và đồng hóa • Là cơ chế OXH cuối cùng chung cho nhiều SPTG của sự ph/giải carbohydrate, lipid và protein. • Là cơ chế tạo ra các cặp hydro cao năng hiệu quả nhất; 4 cặp H tạo thành sẽ được OXH nhờ chuỗi h/hấp và tạo ra nhiều ATP • Nhiều SPTG của ch/trình có thể là ng/liệu cho các qt STH. Số ATP tạo thành khi OXH acetyl.CoA trong vòng Krebs và chuỗi hô hấp Phản ứng Sản phẩm sinh năng lượng Số ATP tạo thành Isocitrate dehydrogenase NADH 2,5 -ketoglutarate dehydrogenase NADH 2,5 Succinyl.CoA synthetase GTP hay ATP 1 Succinate dehydrogenase FAD.H2 1,5 Malate dehydrogenase NADH 2,5 Tổng số 3NADH, 1FAD.H2, 1GTP (ATP) 10 hay ATP Phosphoryl hóa bậc cơ chất Phosphoryl hóa ôxy hóa Số ATP Số ATP Tổng số: 32 ATP FAD.H2 hay ATP Vòng Krebs Glucose 8.7.4. Sự phosphoryl hóa OXH • NADH và FAD.H2 hình thành trong đường phân, OXH AB và chu trình citric acid được đưa vào chuỗi hô hấp (chuỗi VC điện tử) • Trong q/trình VC điện tử từ NADH và FADH2 tới O2 thông qua các thành viên của chuỗi hô hấp, NL tự do được g/phóng hợp diễn với sự tạo thành ATP. Q/trình VC điện tử làm H+ bị đẩy từ chất nền ra khoảng giữa 2 màng, tạo nên một sự chênh lệch về nồng độ proton và điện tích (gradient điện hoá proton). Khi gradient điện hoá này bị hoá giải do H+ qay về chất nền qua tổ hợp V (ATP- synthase), ATP được tạo thành từ ADP và Pi. 6.7.5. Chu trình pentose phosphate - Diễn ra ở các mô bào, nơi có qt sinh tổng hợp mạnh - Mục đích: Tạo các đương lượng khử NADP.H Tạo các đường 5C từ đường 6C - Sự chuyển hoá glucose-6-phosphate phụ thuộc vào nhu cầu NADPH, ribose-5-phosphate và ATP. Con đường pentose phosphate có thể diễn ra theo nhiều chiều hướng khác nhau, tuỳ theo nhu cầu tạo ra nhiều sản phẩm nào. Pha ôxy hóa của vòng pentose phosphate: Các ph/ứng chuyển pentose phosphates thành hexose phosphates làm cho pha ôxy hóa có thể đƣợc tiếp tục. Các enzyme transketolase và transaldolase đặc hiệu cho quá trình này. Pha không ôxy hóa: tái tạo lại các hexosephosphate Sơ đồ của pha không ôxy hóa: Biến đổi 2 ph/tử pentose phosphates (5C) thành 1 triose phosphate (3C) và 1 sedoheptulose 7-phosphate (7C). (5C) (5C) (3C) (7C) (7C) (3C) (4C) (6C) (5C) (4C) (3C) (6C) Cộng ba phƣơng trình trên sẽ đƣợc: 2 Xylulose-5-phosphate + Ribose-5-phosphate ↔ 2Fructose-6-phosphate + Glyceraldehyde -3-phosphate