Bài giảng Hóa sinh động vật - Chuyển hóa carbohydrate

CHUYỂN HÓA CARBOHYDRATE 1. TIÊU HÓA VÀ HẤP THU CARBOHYDRATE T/hóa carbohydrate ở đ/vật dạ dày đơn Tiêu hóa carbohydrate ở đ/vật nhai lại 1.1. T/hóa carbohydrate ở đ/vật dạ dày đơn Sự tiêu hóa tinh bột và đường ở động vật dạ dày đơn - Sự tiêu hóa tinh bột - Sự tiêu hóa các disaccharide Sơ lược về cấu tạo phân tử tinh bột Sự phân giải tinh bột Bắt đầu tại xoang miệng Nước bọt chứa  -amylase, một endoglycosidase, th/phân lk  -1,4 giữa các gốc glycosyl ở những khoảng ngẫu nhiên trong chuỗi, tạo ra những polysaccharide ngắn hơn (  -dextrin). - Sự tiêu hóa tiếp tục nhờ enzyme của dịch tụy và ruột.  -amylase dịch tụy tiếp tục th/phân TB cho ra maltose, maltotriose và các dextrin giới hạn (chứa 4-9 gốc glucose và có ít nhất một lk  -1,6). Hai gốc glucose nối với nhau nhờ lk  -1,6-glycoside là isomaltose, không bị  -amylase th/phân (  -amylase chỉ đặc hiệu với lk  -1,4-glycoside và có ái lực thấp với lk  -1,4 ở đầu không khử của chuỗi). Lactase là một  -glycosidase, thủy phân liên kết  -1,4- của lactose (đường sữa) tạo ra glucose và galactose Trehalose chứa liên kết  -1,1- được trehalase thủy phân thành 2 glucose. Tiêu hóa các disaccharide: Lactose Glucose + Galactose Lactase Trehalose Glucose + Glucose Trehalase Sucrose Glucose + Fructose Sucrase (Glucose nối với Fructose nhờ lk α -1,2- glycoside) Sự hấp thu các đường đơn: TIÊU HÓA CARBOHYDRATE Ở DẠ CỎ 1.2. Tiêu hóa carbohydrate ở loài nhai lại Các loại carbohydrate trong thức ăn Carbohydrate, %DM Alfalfa Grass Corn Các đường hòa tan 5 4 2 Cellulose 25 30 - Hemicellulose 22 26 6 Pectin 6 4 - Tinh bột 2 1 72 Lignin 12 9 - Chuỗi các đơn vị glucose nối với nhau bằng liên kết  -1,4-glycoside Tiêu hóa chất xơ Cellulose Hemicellulose Pectine Lignin Hemicellulose Polysaccharide tạp (của các pentose, hexose và uronic acid) Monomer, % Hemicellulose Alfalfa Bromegrass Arabinose 10.4 12.0 Xylose 58.5 59.2 Glucose 6.9 20.9 Galactose 6.9 7.8 Rhamnose 3.9 - Glucuronic acid 13.5 - Liên kết với liglin nhiều hơn so với cellulose Hemicellulose is more closely bound to lignin than cellulose Tiêu hóa cellulose Tại dạ cỏ Khoảng 90% cellulose được tiêu hóa Cần 2 bước Tiếp xúc với VSV Microbial attachment Thủy phân Hydrolysis Thủy phân cellulose Các enzyme cellulase là enzyme ngoại bào (extracellular) Các enzyme Endo-  -1,4-glucanase: phân giải các chuỗi cellulose Exo-  -1,4-glucanase: tách ra các đơn vị cellobiose (disac.) Cellobiase: phân giải các cellobiose thành 2 glucose Tiêu hóa hemicellulose Hemicellulose > Lignin-hemicellulose > Monosaccharides complexes Các enzyme ở dịch dạ cỏ và bên trong tế bào Endoxylanase: Thủy phân các liên kết của xylose Xylosidase: Thủy phân các liên kết của xylose Arabinofuranosidase: Thủy phân các arabinoxylans Glucuronidase: Thủy phân glucuronxylan Phân giải pectin Nhanh Pectic lyase & Pectin methylesterase Polygalacturonase Pectin > Polygalacturonic acid > Galacturonic acid Hình thành acetate Pyruvate oxidoreductase (Most common) FAD FADH 2 Pyruvate Acetyl-CoA Acetate CoA-SH CO 2 ADP ATP Pyruvate-formate lyase CoA-SH ADP ATP Pyruvate Acetyl-CoA Acetate Formate CH 4 + H 2 O 6H + Butyrate (60% butyrate từ acetate) Ngưng tụ (Condensation) ATP ADP Acetyl-CoA CoA-SH Pyruvate Acetyl-CoA Acetoacetyl-CoA ATP CO 2 NADH CoA ADP CoA NAD + Malonyl-CoA  -Hydroxybutyryl-CoA Crotonyl-CoA NADH NAD + Butyryl-CoA Acetyl-CoA Acetate Butyryl-Phosphate ADP ATP Butyrate Sự hấp thu các AB: Con đường acrylate (Acrylate pathways) Quan trọng ở kp giàu tinh bột Hình thành tới 40% propionate NADH NAD + Pyruvate Lactate Acrylyl-CoA NADH Propionate NAD + Propionyl-CoA Lên men các SPTG (Fermentation of intermediates) Lactate KP nhiều chất xơ; Lactate  Butyrate KP nhiều tinh bột; Lactate  Propionate Succinate Supplies at least 1/3 of the propionate Formate Biến đổi nhanh thành H 2 + CO 2 H 2 4H 2 + CO 2  CH 4 + 2H 2 O Ethanol Biến đổi nhanh thành acetate Các yếu tố điều khiển sản phẩm lên men Factors controlling fermentation endproducts Tạo ATP nhiều nhất cho VSV (Maximum ATP yields for the microorganisms) Duy trì cân bằng OXH-K (Maintenance of Reduction-Oxidation balance) Trong qt đường phân, 1glucose  2 NADH+H + Phải được OXH để duy trì sự cân bằng Redox Chất nhận điện tử Ở sinh vật hiếu khí Aerobic organisms O 2 (  H 2 O) Sinh vật yếm khí Anerobic organisms CO 2 (  CH 4 ) Pyruvate  Propionate Acetate  Butyrate NO 3  NO 2  NH 3 SO 4  S Redox balance trong dạ cỏ 2H (Đương lượng khử) được tạo thành: Glucose  2 Pyruvate + 4H (dạng 2NADH+2H + ) Pyruvate + H 2 O  Acetate + CO 2 + 2H (dạng 1 FADH 2 ) 2H accepted: CO 2 + 4H 2  CH 4 + 2H 2 O Pyruvate + 4H (2NADH +2H + )  Propionate + H 2 O 2 Acetate + 4H (dạng 2NADH+2H + )  Butyrate + 2H 2 O Tỷ lệ các sản phẩm lên men Fermentation balance Kp giàu xơ 5 Glucose  6Acetate + Butyrate + 2Propionate + 5CO 2 + 3CH 4 + 6H 2 O Acetate:Propionate = 3 CH 4 :Glucose = .60 Kp giàu tinh bột 3 Glucose  2Acetate + Butyrate + 2Propionate + 3CO 2 + CH 4 + 2H 2 O Acetate:Propionate = 1 CH 4 :Glucose = .33 Các ABBH - VFA production Nhiều nhất sau 4 giờ cho ăn Nồng độ các loại khác nhau Các yếu tố làm tăng propionate thì (sẽ) làm giảm acetate và methane Các yếu tố ảnh hưởng đến lượng ABBH Tỷ lệ thô:tinh Giảm xơDecreased forage and increased concentrate Decreased acetate and methane, increased propionate Dietary buffers Increased acetate and methane, decreased propionate Decreased physical form of diet (Grinding, pelleting etc) Decreased acetate and methane, increased propionate Ionophores Decreased acetate and methane, increased propionate Unsaturated fatty acids Decreased methane, increased propionate Examples of diet effects on VFA production Forage:Concentrate Forage:Concentrate VFA, Molar% 60:40 40:60 20:80 Acetate 66.9 62.9 56.7 Propionate 21.1 24.9 30.9 Butyrate 12.0 12.2 12.4 Methane, Mcal/d 3.1 2.6 1.8 Physical form of forage Alfalfa hay Grind VFA, Molar% Long Coarse Fine Pelleted Acetate 62.5 56.8 47.5 18.2 Propionate 23.8 27.1 28.5 45.7 Butyrate 10.8 13.6 23.9 32.8 Methane inhibitors Nitrates, sulfates, and alkaloids will inhibit CH 4 , but decreases propionate and butyrate as well Chloral hydrate (CCl 4 ) Reduces CH 4 and increases propionate H 2 accumulates and microbial growth is reduced Myristic acid (Brit. J. Nutr. 90:529-540) A 14-carbon saturated fatty acid Reduced CH 4 production by 58% while increasing propionate concentration (mmol/l) by 86% Did not affect DM intake Tended to decrease NDF digestion Acetogenesis 2CO 2 + 2H 2 > CH 3 COOH Thermodynamically unfavorable to methane production Doesn’t usually occur in the rumen Does occur in the large intestine of various species and in termites Why doesn’t it occur in the rumen? 2. SỰ CHUYỂN HÓA TRUNG GIAN CỦA GLUCOSE Phân giải để khai thác năng lượng Chuyển hóa thành các SPTG làm nguyên liệu cho nhiều qt STH Chuyển hóa thành glycogen dự trữ ở gan và cơ. 2.1. Quá trình đường 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 đường phân. 2.2. Các đường hướng chuyển hóa của 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 Vòng Cori Ở tế bào men rượu (Saccharomyces cerevisie): 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 CO 2 và nước. 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 các AB và lipid). L à 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 đường phân và tân tạo đường Đường phân: Hexokinase Phosphofructose kinase Pyruvate kinase Tân tạo đường: Glucose-6-phosphatase Fructose-1,6- bisphosphatase Pyruvate carboxylase PEP carboxykinase 2.2.3. 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. Ý nghĩa của chu trình Krebs với STH acid amin, protein và carbohydrate Ý nghĩa của chu trình Krebs với STH acid béo và lipid 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.H 2 , 1GTP (ATP) 10 hay ATP Phosphoryl hóa bậc cơ chất Phosphoryl hóa ôxy hóa Số ATP Số ATP Tổng số: 32 ATP FAD.H 2 hay ATP Vòng Krebs Glucose Sự phosphoryl hóa OXH NADH và FAD.H 2 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 FADH 2 tới O 2 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 P i . 2.2.4. 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. C on 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 được 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 phương trình trên sẽ được: 2 Xylulose-5-phosphate + Ribose-5-phosphate ↔ 2Fructose-6-phosphate + Glyceraldehyde -3-phosphate 2.2.5. Tổng hợp và phân giải glycogen Đường huyết và điều hòa đường huyết Phân giải glycogen ở gan và cơ Tổng hợp glycogen ở gan và cơ Sự phân giải glycogen - Tại gan và cơ, glycogen được phân giải chủ yếu theo cơ chế phosphoryl phân ( có P i 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 Tổng hợp glycogen ở gan và cơ Glucose + ATP → Glucose-6-phosphate + ADP - Hoạt hóa đường glucose do hexokinase x/tác: - Đồng phân hóa Glucose -6-Phosphate 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.