Đại cương về monosaccharide

MUÏC LUÏC A. ÑAÏI CÖÔNG VEÀ MONOSACCHARIDE 2 1. Ñònh nghóa 2 2. Phaân loaïi 2 3. Nhieàu daãn xuaát hexose coù maët trong cô theå soáng 4 4. Tính hoaù lyù cuûa ñöôøng ñôn 5 B. TOÅNG QUAÙT VEÀ SÖÏ CHUYEÅN HOAÙ TÖÔNG HOÃ GIÖÕA CAÙC MS 8 I. Chu trình ñöôøng phaân 9 II. Chu trình Krebs 17 III. Chu trình Pentosephosphate 22 IV. Chu trình Quang hôïp 25 C. ATP VAØ HIEÄU SUAÁT TÍCH LUYÕ NAÊNG LÖÔÏNG 28 ÑAÏI CÖÔNG VEÀ MONOSACCHARIDE: Ñònh nghóa: Monosaccharide laø nhöõng glucid ñôn giaûn khoâng theå thuyû phaân ñöôïc, laø caùc daãn xuaát aldehyde hoaëc ketone cuûa caùc polyol. Caùc daïng toàn taïi cuûa Monosaccharide : a/ Daïng maïch hôû: Monosaccharide thöôøng toàn taïi 2 daïng aldehyde vaø ketone. Teân MS D-aldose D-ketose 1.Trioses D-Glyceraldehide Dihidroxyacetone 2.Tetrose D-Erythrose D-Threose D-Erythrulose 3.Pentoses CH=O CH=O CH=O CH=O | | | | HC-OH HO-CH HC-OH HO-CH | | | | HC-OH HC-OH HO-CH HO-CH | | | | HC-OH HC-OH HC-OH HC-OH | | | | CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH D-Ribose D-Arabinose D-Xylose D-Lyxose D_ribulose L_xilulose 4.Hexose CH=O CH=O CH=O CH=O | | | | HC-OH HO-CH HC-OH HC-OH | | | | HO-CH HO-CH HO-CH HC-OH | | | | HC-OH HC-OH HO-CH HC-OH | | | | HC-OH HC-OH HC-OH HC-OH | | | | CH2-OH CH2-OH CH2-OH CH2-OH D-Glucose D-Mannose D-Galactose D-Allose CH2OH CH2OH | | C=O C=O | | HC-OH HO-CH | | HC-OH HC-OH | | HC-OH HC-OH | | CH2OH CH2OH D-Psicose D-Fructose CH=O CH=O CH=O CH=O | | | | HO-CH HO-CH HC-OH HO-CH | | | | HC-OH HO-CH HC-OH HC-OH | | | | HC-OH HO-CH HO-CH HO-CH | | | | HC-OH HC-OH HC-OH HC-OH | | | | CH2-OH CH2-OH CH2-OH CH2-OH D-Altrose D-Talose D-Gulose D-Idose CH2OH CH2OH | | C=O C=O | | HC-OH HO-CH | | HO-CH HO-CH | | HC-OH HC-OH | | CH2OH CH2OH D-Sorbose D-Tagatose b/Daïng maïch voøng: Monosaccharide thöôøng toàn taïi ôû daïng voøng _ Daïng voøng cuûa caùc aldose ñöôïc goïi laø voøng hemiacatal. _ Daïng voøng cuûa caùc ketose ñöôïc goïi laø voøng hemiketal. _ Voøng pyranose(6 caïnh): nhoùm CHO ôû C1 noái voøng vôùi nhoùm OH ôû C5 a-D-glucose _ Voøng furanose (5 caïnh): nhoùm CO ôû C2 noái voøng vôùi nhoùm OH ôû C5 Ribose Deoxyribose a-D-Fructose β-D-Fructose ñ Trong dd, MS toàn taïi nhieàu daïng caáu taïo khaùc nhau vaø luoân coù söï caân baèng giöõa caùc daïng ñoù. Daïng hôû thöôøng chieám tyû leä nhoû. Söï chuyeån hoaù töø daïng hôû sang daïng voøng phuï thuoäc vaøo ñieàu kieän moâi tröôøng, töøng phaûn öùng vaø taùc nhaân phaûn öùng. ñ MS phaàn lôùn toàn taïi daïng voøng 6C, coù caáu hình daïng gheá hay daïng thuyeàn.Thoâng thöôøng daïng gheá beàn hôn daïng thuyeàn(104 phaân töû daïng gheá:1 phaân töû daïng thuyeàn) Daïng gheá Daïng thuyeàn Nhieàu daãn xuaát hexose coù maët trong cô theå soáng: ñaëc bieät laø caùc daãn xuaát cuûa glucose: glycolipid, glycoprotein, glycosamine… _ Nhoùm NH2 seõ nhoùm OH ôû C2 cuûa glucose, vaø lieân keát vôùi acid acetic taïo N-acetylglucosamine coù maët trong nhieàu caáu truùc sinh hoïc nhö vaùch teá baøo vi khuaån. _ Oxygen ôû C3 cuûa N-acetylglucosamine lieân keát ether vôùi acid lactic taïo N-acetyl muramic acid. _ Nhoùm OH ôû C6 khi bò thay bôûi –H trong galactose vaø manose seõ taïo fucose vaø rhamnose laø thaønh phaàn cuûa glycolipid, glycoprotein. _ Nhoùm CHO ôû C1 bò oxi hoaù thaønh –COOH taïo gluconic acid.Neáu caû C6 bò oxi hoaù seõ taïo glucuronic acid. Daïng ester cuûa 2 acid naøy laø lactone. Tính hoaù lyù cuûa monosaccharide: a/ Lyù tính: _ Ngoaïi tröø glyceraldehide,caùc monosaccharide coøn laïi ñeàu coù tính quang hoaït. _ Do söï coù maët cuûa nhieàu nhoùm Hydroxyl trong phaân töû, neân caùc monosaccharide ôû daïng tinh theå tan raát toát trong nöôùc, khoâng tan trong caùc dung moâi höõu cô, phaàn lôùn coù vò ngoï vaø khoâng maøu. b/ Hoaù tính: Do söï coù maët cuûa nhoùm Cacbonyl, nhoùm Hydroxyl trong phaân töû, neân coù caùc tính chaát hoùa hoïc ñaëc tröng : Phaûn öùng oxi hoaù: Laø pp xaùc ñònh haøm löôïng glucose (trong maùu vaø nöôùc tieåu), dd glucose seõ oxi hoaù thuoác thöû Fehling coù chöùa Cu2+ taïo caën Cu+(maøu ñoû). Töø ñoù xaùc ñònh löôïng glucose. Ngaøy nay ngöôøi ta thay baèng pp söû duïng enzyme glucose oxidase. Phaûn öùng khöû: taïo röôïu. D-glucose D-sorbitol D-manose D-manitol D-fructose D-manitol, D-sorbitol Phaûn öùng ester hoaù: nhoùm OH ôû C1 vaø C6 deã tham gia taïo phöùc ester, quan troïng nhaát laø tao phöùc ester vôùi nhoùm phosphate - saûn phaåm cuûa nhieàu quaù trình chuyeån hoaù trao ñoåi chaát trong cô theå nhö D-glyceraldehide-3-phosphate, D-glucose-6-phosphate, D-glucose-1-phosphate… Phaûn öùng taïo lieân keát glucoside: Phaûn öùng vôùi acid: Khi ñun vôùi acid ôû noàng ñoä cao(HCl 12% hay H2SO4 ññ), pentose, hexose seõ taùch H2O taïo furfurol, oxymethylfurfurol. Taùc duïng vôùi Phenylhydrazin : Monosacharide coù theå phaûn öùng vôùi caùc amin. Ñieån hình nhaát laø taùc duïng giöõa Monosacharid vaø Phenylhydrazin C6H5NH-NH2 dö. Phaûn öùng xaûy ra theo 3 giai ñoaïn : Giai ñoaïn 1 : taïo Phenylhydrazon Giai ñoaïn 2 : oxi hoùa nguyeân töû cacbon ôû vò trí soá 2 taïo neân nhoùm cacbonyl Giai ñoaïn 3 : nhoùm cacbonyl phaûn öùng vôùi Phenylhydrazin taïo neân saûn phaåm cuoái cuøng laø phenylosazon cuûa glucose: Do söï hoùa voøng cuûa osazon coù taùc duïng chaën nhoùm -OH töï do beân caïnh neân phaûn öùng döøng laïi ôû giai ñoaïn naøy. TOÅNG QUAÙT VEÀ SÖÏ CHUYEÅN HOAÙ TÖÔNG HOÃ CUÛA CAÙC MONOSACCHARIDE: _ Saûn phaåm ñaàu tieân cuûa quaù trình quang hôïp laø acid phosphoglycerinic. Chaát naøy tieáp tuïc bò chuyeån hoaù taïo caùc monosaccharide: glucose, fructose vaø caùc saûn phaåm ñoàng phaân nhö manose, galactose. _ Phaàn lôùn söï chuyeån hoaù töông hoã cuûa caùc monosaccharide laø nhôø phaûn öùng enol hoaù cuûa caùc daïng hydrate cuûa caùc monosaccharide naøy. _ Söï chuyeån hoaù giöõa galactose, glucose, fructose laø nhôø taùc duïng cuûa enzyme töông öùng xuùc taùc cho phaûn öùng phosphoryl hoaù vaø taïo caùc daïng ester phosphate cuûa ñöôøng. Sau nhôø caùc enzyme ñoàng phaân hoaù taïo caùc ester phosphate cuûa caùc loaïi ñöôøng khaùc nhau vaø döôùi taùc duïng cuûa enzyme phosphatase seõ giaûi phoùng ñöôøng töï do: galactose + ATP « galactose-1-phosphate + ADP galactose-1-phosphate « glucose-1-phosphate glucose-1-phosphate « glucose-6-phosphate « frutose-6-phosphate glucose-6-phosphate « glucose + H3PO4 _ Quaù trình taïo ñöôøng pentose: + Töø acid galacturonic, acid glucuronic taùch CO2 taïo araban vaø xilan (ôû TV). +Töø acid daãn xuaát oxi hoaù cuûa hexose (C1) + Ngöng tuï phosphodioxyacetone vôùi chaát 2C nhö aldehyde acetic hay aldehyde glicolic, xuùc taùc aldolase CH2OH CH3 | | CO + CH3CHO « CH-OH | | CH2OPO3H2 CH-OH | CH2OPO3H2 5- deoxycetopentozophosphate CH2OH CH2OH | | CO + CH2HCHO « CH-OH | | CH2OPO3H2 CH-OH | CH2OPO3H2 Xetopentoxophosphate _ Trong söï chuyeån hoaù töông hoã cuûa caùc triose, tetrose, pentose, hexose, heptose coøn coù söï tham gia cuûa moät loaït caùc enzyme quan troïng: transaldolase, transxetolase. Xilulose-5-℗ + ribose-5-℗ « xodoheptulose-7-℗ +aldehyde-3-phospho glycerinic (nhôø transxetolase xuùc taùc). Xodoheptulose-7-℗ + aldehyde-3-phosphoglycerinic « fructose-6-℗ + eritrose-4-℗ (nhôø transaldolase xuùc taùc). _Saûn phaåm cuûa phaûn öùng treân ñoùng vai troø quan troïng trong caùc quaù trình trao ñoåi glucid khaùc nhau ôû cô theå SV (trong chu trình pentosephosphate, trong quang hôïp…). SÖÏ ÑÖÔØNG PHAÂN: Ñaëc ñieåm: Quaù trình ñöôøng phaân (glycolysis) laø söï phaân raõ phaân töû glucose thaønh hai phaân töû pyruvate keøm theo naêng löôïng ñöôïc giaûi phoùng ôû daïng ATP. Khoâng söû duïng oxi phaân töû, nhöng quaù trình vaãn coù theå tieán haønh ngay caû khi coù oxi phaân töû, ñaây laø giai ñoaïn ñaàu chuaån bò cho söï hoâ haáp hieáu khí. Quaù trình ñöôøng phaân laø cô cheá taïo naêng löôïng töø glucose xöa nhaát. Cô cheá naøy ñöôïc duy trì suoát quaù trình tieán hoùa, do ñoù toång theå caùc quaù trình ñöôøng phaân ôû caùc cô theå khaùc nhau laø khaù gioáng nhau vaø coù leõ chæ khaùc nhau theo cô cheá ñieàu hoøa vaø saûn phaåm bieán ñoåi cuï theå töø pyruvate. Vì vaäy caàn xem xeùt noù moät caùch toång theå tröôùc khi ñi saâu vaøo chi tieát töøng giai ñoaïn phaûn öùng. Quaù trình ñöôøng phaân goàm 2 phase: Phase chuaån bò (preparatory phase): töø 1 phaân töû glucose coù 6C taïo ra 2 phaân töû glyceraldehydes-3-phosphate 3C. Phase naøy coù söû duïng naêng löôïng (2ATP). Phase hoaøn traû (payoff phase): bieán ñoåi glyceraldehydes-3-phosphate thaønh pyruvate keøm theo toàng hôïp ATP vaø hoaøn traû laïi ATP ñaõ söû duïng ôû phase chuaån bò. Sau ñoù pyruvate seõ chuyeån ñoåi theo 3 höôùng: ÔÛ ñieàu kieän hieáu khí (aerob): khi coù maët oxy, pyruvate seõ bò oxy hoùa taïo goác acetyl. Chaát naøy sau ñoù taïo phaân töû acetyl – Coenzyme A vaø bò oxy hoùa hoaøn toaøn ñeán CO2 vaø H2O thoâng qua chu trình Krebs vaø chuoãi hoâ haáp trong maøng ty theå, giaûi phoùng naêng löôïng ôû daïng ATP. Pyruvate bò khöû thaønh acid lactic (lactate): Lactate ñöôïc taïo thaønh trong quaù trình leân mem lactic, thöôøng xaûy ra trong moâ cô hay do vi khuaån soáng ôû ñieàu kieän yeám khí gaây ra. C6H12O6 leân men röôïu 2 C2H5OH + 2 CO2 Glucose Ethanol Pyruvate bieán ñoåi thaønh röôïu ethanol vaø giaûi phoùng CO2: ñaëc bieät phoå bieán ôû naám men leân mem röôïu. C6H12O6 leân men lactic 2 CH3CHOHCOOH Glucose Acid Lactic Cô cheá:   Hình 1. Caùc phaûn öùng chính cuûa ñöôøng phaân (daïng maïch thaúng) PHASE CHUAÅN BÒ: 1/ Phaûn öùng phosphoryl hoùa glucose: Phaûn öùng taïo glucose-6- phosphate töø glucose laø phaûn öùng moät chieàu, ñöôïc xuùc taùc bôûi enzyme glucokinase: Glucose + ATP Mg2+ glucose-6-phosphate + ADP Glucokinase O O H O H O H O H H H H H CH2 HO H Glucose Mg2+ hexokinase ATP ADP O O H O H O H O H H H H H CH2 O P H Glucose - 6 - phosphate 2/ Bieán ñoåi glucose- 6- phosphate thaønh fructose- 6- phosphate: Döôùi taùc duïng cuûa enzym ñoàng phaân hoùa (izomerase), glucose – 6 – phosphate deã daøng chuyeån hoùa thaønh fructose-6-phosphate. Ñaây laø phaûn öùng thuaän nghòch neân söï thay ñoåi naêng löôïng töï do nhoû: O O H O H O H O H H H H H CH2 O P H Glucose - 6 - phosphate glucose phosphate izomerase O HO O H O H O H CH2 O P H H H2C OH Fructose - 6 - phosphate 3/ Phaûn öùng phosphoryl hoùa fructose-6-phosphate thaønh fructose-1,6-bisphosphate: Laø phaûn öùng moät chieàu ôû ñieài kieän sinh lyù teá baøo ñöôïc enzyme phosphofructo- kinase (PFK) xuùc taùc. Fructose-6-phosphate tieáp tuïc bò phosphoryl hoùa ôû C1 taïo daãn xuaát Fructose-6-bisphosphate: O HO O H O H O H CH2 O P H H H2C OH Fructose - 6 - phosphate Mg2+ phosphofructokinase ATP ADP O HO O H O H O H CH2 O P H H H2C O P Fructose - 1,6 - bisphosphate ÔÛ moät soá vi khuaån vaø ña soá thöïc vaät coù maët enzyme phosphofructokinase söû duïng pyrophosphate (PPi) chöù khoâng phaûi laø ATP laøm chaát cho nhoùm phosphate. PFK laø enzyme ñieàu hoøa trao ñoåi chaát quan troïng nhaát trong quaù trình ñöôøng phaân. Ñaây laø phaûn öùng cô baûn chuaån bò cho giai ñoaïn phaân giaûi monosaccharide theo kieåu hieáu khí vaø yeám khí. 4/ Phaûn öùng caét fructose-1,6-bisphosphate thaønh 2 phaân töû ñöôøng 3C: Phaân töû Fructose – 1,6 – bisphosphate do chöùa 2 goác phosphate ôû hai vò trí ñoái xöùng neân coù theå deã daøng bò caét ñöùt thaønh 2 phaân töû phosphotriose: O HO O H O H O H CH2 O P H H H2C O P Fructose - 1,6 - bisphosphate andolase O O P H O H O O P O H Dihydroacetone phosphate + Glyceraldehyde - 3 - phosphate *4A/ Bieán ñoåi töông hoã laãn nhau giöõa caùc ñöôøng 3C: Hai chaát phosphotriose hình thaønh ôû treân döôùi taùc duïng cuûa triose phosphate isomerase laïi coù theå chuyeån töø chaát noï sang chaát kia: O O P H O H O O P O H Dihydroacetone phosphate Glyceraldehyde - 3 - phosphate Sau giai ñoaïn caét ñoâi maïch cacbon, tieáp ñoù laø quaù trình oxi hoùa- khöû . Khi ñoù Glyceraldehyde-3-phosphate tham gia vaøo söï chuyeån hoùa. Khi ôû trạng thaùi caân baèng dihydroacetonephosphate chieám öu theá nhöng ñoàng thôøi vôùi söï chuyeån tieáp cuûa Glyceraldehyde-3-phosphate, dihydroacetonephosphate laïi bieán thaønh Glyceral dehyde-3-phosphate, neân quaù trình bieán ñoåi naøy xaûy ra haàu nhö hoaøn toaøn. Vì theá coù theå coi nhö töø 1 phaân töû fructose-1,6-diphosphate seõ cho 2 phaân töû Glyceraldehyde-3-phosphate. PHASE HOAØN TRAÛ: 5/ Oxy hoùa Glyceraldehyde-3-phosphate thaønh 1,3- bisphosphoglycerate: Ñaây laø phaûn öùng tích luõy naêng löôïng ñaàu tieân trong chu trình ñöôøng phaân. Trong ñoù nhoùm aldehyde cuûa Glyceraldehyde-3-phosphate bò maát hydro khoâng bieán thaønh nhoùm carbocylic nhö bình thöôøng, maø thaønh nhoùm andehyde chöùa phosphate (acylphosphate) coù möùc naêng löôïng töï do cao. Coøn chaát nhaän hydro ôû daïng ion hydride laø NAD+ taïo ra NADH vaø H+. O O P H O H Glyceraldehyde - 3 - phosphate Phosphoglycerylandehyde Dehydrogenase (-SH) +NAD+ +H3PO4 –NADH2 O O P O O H P 1,3 - bisphosphoglycerate 6/ Chuyeån nhoùm phosphate töø 1,3 - bisphosphoglycerate cho ADP: Naêng löôïng trong nhoùm acylphosphate ñöôïc söû duïng ñeå toång hôïp ATP töø ADP vaø phosphate voâ cô Pi. Naêng löôïng ñöôïc giaûi phoùng ñöôïc tích luõy laïi trong phaân töû ATP . 1,3 - bisphosphoglycerate O O P O O H P phosphoglyceratekinase 2 ADP 2 ATP O O P O - O H 3 - phosphoglycerate 7/ Bieán ñoåi 3-phosphoglycerate thaønh 2-phosphoglycerate: Tieáp theo xaûy ra söï chuyeån 3-phosphoglycerate thaønh 2-phosphoglycerate nhôø 3-photphogliceratmutase : O O P O - O H 3 - phosphoglycerate phosphoglyceratemutase Mg2+ 2 - phosphoglycerate O O - O H O P 8/ Dehydrate hoùa 2-phosphoglycerate: 2-phosphoglycerate bò loaïi 1 phaân töû nöôùc nhôø taùc duïng cuûa enzyme Enolaza vaø chuyeån thaønh photphoenolpyruvate . Enolase ñöôïc hoaït hoùa nhôø caùc ion Mg2+, Mn2+… Photphoenolpyruvate coù möùc naêng löôïng töï do raát cao (- 61,9 KJ/mol), maëc duø möùc naêng löôïng töï do thay ñoåi cuûa phaûn öùng laø nhoû 7,5 KJ/mol. 2 - phosphoglycerate O O - O H O P Enolase, Mg2+ H2O O O - C H 2 O P Phosphoenolpyruvate 9/ Taïo pyruvate: Ñöôïc xuùc taùc bôûi pyruvatekinase vaø laø phaûn öùng phosphryl hoùa treân cô chaát taïo ATP. Saûn phaåm laø pyruvate ôû daïng enol O O - C H 2 O P Phosphoenolpyruvate pyruvatekinase Mg2+ ADP ATP O O - C H 2 OH Enolpyruvate Sau ñoù enolpyruvate nhanh choùng bieán ñoåi sang daïng ketone cuûa noù laø pyruvate (hay laø acid pyruvic) phoå bieán ôû pH = 7: O O - C H 2 OH Enolpyruvate O O - C H 3 O Pyruvate Leân men röôïu: Trong ñieàu kieän yeám khí döôùi taùc duïng cuûa enzyme pyruvate decacboxylase vaø ancoldehydrogenase cuûa naám men acid pyruvic chuyeån thaønh röôïu ethylic: CH3COCOOH pyruvate decacboxylase Mg2+ CH3CHO + CO2 Acid pyruvic Acetaldehyde CH3CHO + NADH2 Lactatedehydrogenase CH3CH2OH + NAD+ Acetaldehyde Röôïu Ethylic Glucose, fructose laø nhöõng monosaccharide deã leân men hôn caû, sau ñoù tôùi manose vaø galactose. Caùc pentose chæ leân men nhôø 1 vaøi loaïi naâm moác fusarium. Xaûy ra phoå bieán trong TÑC cuûa SV ñieån hình laø naám men. Phaûn öùng toång quaùt cuûa quaù trình leân men röôïu: Glucose + 2 ADP + 2 Pi ® 2 Ethanol + 2 CO2 + 2 ATP + 2 H2O hoaëc: C6H12O6    -->  2 C2H5OH  +  2 CO2  +  23 Kcal Enzyme pyruvate decarboxylase coù trong men röôïu,bia,baùnh mì vaø caùc vi sinh vaät leân men röôïu khaùc; khoâng coù maët ôû ñoäng vaät coù xöông soáng, vi sinh vaät leân men lactic acid. Khí CO2 xuaát hieän trong quaù trình decarboxyl hoùa quyeát ñònh ñoä boït cuûa caùc loaïi nöôùc uoáng leân men (röôïu champagne) vaø ñoä nôû baùnh mì. Enzyme acohol dehydrogenase coù trong cô theå soáng ® gan ngöôøi coù quaù trình oxy hoaù ethanol © ÖÙng duïng : saûn xuaát röôïu, bia, nöôùc giaûi khaùt leân men, baùnh keïo, … © Öu ñieåm cuûa leân men vi sinh: TB sinh vaät thöïc hieän haøng loaït nhöõng bieán ñoåi hoùa hoïc vôùi hieäu xuaát cao vaø haàu nhö khoâng coù saûn phaåm phuï. Coâng ngheä naøy ñöôïc aùp duïng cho coâng nghieäp siro fructose, khaùng sinh, amino acid… Leân men lactic: Trong ñieàu kieän yeám khí, döôùi taùc duïng lactatdehydrogenase (1.1.1.28) cuûa vi khuaån acid pyruvic taïo ra acid lactic: Phaûn öùng naøy cuõng xaûy ra trong moâ ñoäng vaät trong ñieàu kieän yeám khí vaø acid lactic ôû daïng L-Lactic. Xaûy ra caû ôû moâ ñoäng vaät trong ñieàu kieän yeám khí. Chæ khaùc laø saûn phaåm daïng L-lactate. © ÖÙng duïng : saûn xuaát bô, phoâ mai laø taïo acid Lactate roài ñöa veà pH söõa ¦ khaû naêng ñoâng tuï taïo muøi ñaëc tröng. Chu trình biến ñổi từ glucose sang lactate vaø ngược lại xảy ra ở gan được gọi là chu trình Cori (Cori cycle). © Baûn chaát : khi vaän ñoäng vieân chaïy nöôùc ruùt , oxygen khoâng cung caáp ñuû cho TB ñeå oxy hoaù pyruvate thaønh CO2 vaø H2O ñeå taïo ATP. Luùc naøy glycogen (ñöôïc döï tröõ trong TB moâ cô) seõ laø nguoàn cung caáp ATP nhôø vaøo söï leân men lactic acid¦Noàng ñoä lactate trong maùu seõ taêng leân raát cao. Sau thôøi gian nghæ,oxygen ñöôïc cung caáp ñaày ñuû cho quaù trình oxy hoaù seõ traû ñuû ATP ñeå taùi taïo glucose vaø glycogen ôû gan töø lactate ñeå traû laïi glycogen ñaõ “möôïn” tröôùc ñoù. YÙ nghóa: Laøm bieán ñoåi veà caên baûn caáu truùc ban ñaàu cuûa phaân töû cô chaát (glucose) hoâ haáp, xuùc tieán caùc chuyeån hoùa tieáp theo ôû giai ñoaïn hieáu khí deã daøng hôn. Sau quaù trình ñöôøng phaân (glucolysis) ta thu ñöôïc 2 phaân töû NADH, 2 phaân töû ATP vaø 2 ion H+ CHU TRÌNH KREBS (CHU TRÌNH CITRIC ACID): Ñaëc ñieåm: Pyruvate vaø acertylcoenzyme A khoâng bò oxi hoaù tröïc tieáp bôûi oxi khoâng khí maø bò oxi hoaù bôûi oxi cuûa nöôùc hay söï khöû hidro hoaù. Oxi phaân töû khoâng tham gia tröïc tieáp vaøo phaûn öùng cuûa chu trình Kerbs, neân hidro vaø caùc electron ñöôïc caùc chaát chuyeån ñaëc bieät (NAD, NADP, FAD) tieáp nhaän roài tuaàn töï chuyeån cho nhau, cuoái cuøng chuyeån cho oxi. Khi khöû hidro cuûa ña soá cô chaát, doøng electron chính ñöôïc chuyeån cho NAD. Saûn phaåm Cuoái: CO2 (do söï khöû cacboxyl oxi hoùa caùc ketoacid cuûa chu trình) vaø H2O (do söï oxi hoùa caùc chaát khöû NAD.H2, NADP.H2 vaø FAD.H2 bôûi oxi phaân töû, keøm theo giaûi phoùng naêng löôïng. Cô cheá: Giai ñoaïn 1: Axetylcoenzyme A ngöng tuï vôùi acid oxaloacetic (daïng enol) vaø nöôùc taïo thaønh acid citric. Phaûn öùng naøy do enzyme citratsintetase xuùc taùc. Naêng löôïng ñeå ngöng tuï do lieân keát cao naêng cuûa axetylcoenzyme A cung caáp (C~S). Giai ñoaïn 2: Ñoàng phaân hoaù acid citric thaønh acid iso-citric thoâng qua acid cis-aconitic Phaûn öùng thuaän nghòch. Taïi pH 7.4 , 250C isocitrate chieám 10% hoãn hôïp. Trong TB höôùng phaûn öùng laø taïo isocitrate do isocitrate bò tieâu thuï ngay khi vöøa taïo thaønh. Enzyme aconitase chöùa taâm FeS laøm caàu noái cô chaát vôùi taâm hoaït ñoäng vaø xuùc taùc phaûn öùng ± H2O. Giai ñoaïn 3 : Oxi hoaù acid isocitric thaønh acid a-ketoglutaric, giaûi phoùngCO2, enzyme isoxitratdehydrogenase laøm xuùc taùc Giai ñoaïn 4: OÂxi hoùa acid a-ketoglutaric thaønh succinyl-CoA,giaûi phoùngCO2 Giai ñoaïn 5: Bieán ñoåi Succinyl-CoA thaønh acid Succinic. Ñaây laø giai ñoaïn tích luõy naêng löôïng, ñoù laø naêng löôïng cuûa lieân keát cao naêng trong sucinyl- CoA ñöôïc chuyeån sang Guanozintriphosphate (GTP) khi Coenzim A giaûi phoùng khoûi sucinyl CoA Phaûn öùng coù söï tham gia cuûa Guanozindiphosphate (GDP) vaø axit voâ cô H3PO4 Giai ñoaïn 6: Acid Succinic bò oâxihoùa thaønh acid Fumaric döôùi taùc duïng cuûa enzyme suxinatdehydrogenaza Enzyme chöùa flavoprotein vaø taâm Fe-S; naèm treân maøng trong ty theå ôû TB eukaryose,vaø maøng TB chaát ôû prokaryote. Giai ñoaïn 7: Hydrate hoùa axit fumaric thaønh axit malic Enzyme xuùc taùc coù tính ñaëc hieäu xuùc taùc laäp theå cao,chæ xuùc taùc phaûn öùng hydrate hoùa lieân keát ñoâi daïng trans cuûa fumarate .Theo höôùng ngöôïc laïi thì enzyme naøy chæ xuùc taùc phaûn öùng bieán ñoåi L-malate thaønh fumarate maø khoâng xuùc taùc D-malate. Giai ñoaïn 8: Khöû hiñro cuûa axit malic taïo thaønh axit oxaloaxetic do enzyme malate dehydrogenase tieán haønh Caân baèng leäch veà acid malic nhöng acid oxaloaxetic taïo ra laäp töùc ñi vaøo chu trình citric acid neân chieàu phaûn öùng höôùng veà taïo axit oxaloaxetic Nhö vaäy sau moät voøng troøn veïn cuûa chu trình Krebs , phaân töû acid oxaloaxetic ñöôïc taùi taïo laïi. Chu trình ñöôïc taùi laëp. YÙ nghóa: Laø phöông thöùc phaân huyû oxi hoaù caùc hôïp chaát dinh döôõng trong teá baøo ÑV, TV, VSV vaø ñoùng vai troø quan troïng trong quaù trình trao ñoåi chaát noäi teá baøo. Laø maéc xích lieân hôïp, ñieåm giao löu cuûa nhieàu ñöôøng höôùng phaân giaûi vaø toång hôïp caùc caáu töû khaùc nhau cuûa teá baøo. Keát quaû laø trong moãi moät voøng cuûa chu trình Krebs , khi oxy hoùa hoaøn toaøn goác axetyl taïo ra 2 phaân töû CO2, 1 NADPH2, 2 NADH2 vaø 1 FAD.H2 Acetyl-CoA + 2H2O + 3NAD+ + Pi + GDP + FAD ð 2CO2 + 3NADH + GTP + CoA-SH + FADH2 + 2H+ Baûng toång keát chu trình Krebs Reaction Enzyme DG0' (kJ/mol) Acetyl-CoA + Oxaloacetate + H2O ð Citrate + CoA-SH + H+ Citrate Synthase -32.2 Citrateó cis-Aconitate + H2O Aconitase +6.3 cis-Aconitase + H2O ó Isocitrate Isocitrate + NAD+ ó a-Ketoglutarate + CO2 + NADH Isocitrate Dehydrogenase -8.4 a-Ketoglutarate + NAD+ + CoA-SH ó Succinyl-CoA + CO2 + NADH a-Ketoglutarate Dehydrogenase -33.5 Succinyl-CoA + Pi + GDP ó Succinate + GTP + CoA-SH Succinyl-CoA Synthetase -2.9 Succinate + E-FAD ó Fumarate + E-FADH2 Succinate Dehydrogenase 0 Fumarate + H2O ó L-Malate Fumarase -3.8 L-Malate + NAD+ ó Oxaloacetate + NADH + H+ Malate Dehydrogenase +29.7 NET: -44.8 CHU TRÌNH PENTOSEPHOSPHATE: Ñaëc ñieåm: Laø kieåu chuyeån hoùa glucose tôùi CO2 vaø H2O khoâng qua quaù trình ñöôøng phaân vaø chu trình Krebs. Xaûy ra ôû naám men, VK, moâ ÑV_TV. Cô cheá: Phaûn öùng baét ñaàu töø giai ñoaïn taïo neân glucose-6-phosphate. Chaát naøy bò oxy hoùa thaønh 6-Phosphogluconolacton nhôø phaûn öùng sau : Glucose-6-phosphate + NADP à 6–Phosphogluconolacton + NADPH2 Enzyme xuùc taùc cho phaûn öùng treân laø glucose-6-phosphate dehydrogenase . Saûn phaåm taïo thaønh bò thuûy phaân nhôø gluconolactonase vaø chuyeån thaønh axid phosphogluconic , chaát naøy laïi bò oxy hoùa decarbocyl hoùa taïo neân ribulose-5-phosphate nhôø enzyme phosphogluconatdehydrogenase vaø NADP: O O H H H H O H O H O H P O 6-phosphogluconolacton +H2O O H H H H O H O H O H O H P O O H acid phosphogluconic NADP NADPH2 O H H O O H O H O H P Ribuloza-5-phosphat + CO2 Tiếp theo ñoù laø quaù trình ñoàng phaân hoùa caùc phaân töû ribulose-5-phosphate thaønh ribose-5-phosphate vaø xilulose-5-phosphate döôùi taùc duïng cuûa caùc enzyme phosphoribo izomerase vaø ribulose-5-photphatepimerase töông öùng : Sau ñoù döôùi taùc duïng cuûa caùc enzyme transetolase vaø transaldolase, caùc xetose (xilulose -5- phosphate) vaø aldose seõ töông taùc vôùi nhau : Gliceraldehyde-3-phosphate dưới taùc dụng của enzyme isomerase sẽ chuyển thaøønh phosphodioxyaceton. Hai chaát naøy lại tương taùc với nhau ñeå tạo thaønh fructose-1,6-diphosphate dưới taùc dụng của enzyme aldolase. Fructose-1,6-diphosphate dưới taùc dụng của enzyme phosphatase sẽ mất đñi một gốc axit phosphoric đñể tạo ra fructose-6-phosphate. Dưới taùc duïng của enzyme isomerase fructose-6-phosphate laïi chuyển thaønh glucose-6-phosphate vaø chu trình laïi bắt ñầu. Cuối cuøng coù thể thấy rằng từ 6 phaân tử ribulose-6-phosphate sẽ thu đñược 5 phaân tử glucose-6-phosphate, như vậy chỉ một phaân tử glucose-6- phosphate treân 6 phaân tử glucose-6- phosphate xuất phaùt từ đñầu chu trình bị phaân giải hoaøn toaøn. Coù theå toùm taét theo sô ñoà chung sau : 6 Glucose-6-phosphate à 5 glucose-6-phosphate + 12NADP + 7H2O + 6CO2 + 12 NADP.H2 + H3PO4 YÙ nghóa: Qua cả hai chu trình Pentosephosphate khoâng coù phaûn öùng naøo daãn tôùi tổng hợp trực tiếp ra caùc phaân tử ATP maø chỉ tạo ra ATP nhờ sự chuyển hoùa tiếp tục của caùc NADPH2 qua chuỗi oxy-hoùa khử. Như vậy sự oxy hoùa glucose theo chu trình Pentosephosphate sẽ taïo neân toaøn boä 36 phaân töû ATP. Điều ñoù thể hiện trong sơ ñoà ruùt gọn sau (loại đñi ở mỗi vế 5 phaân tử glucose-6-phosphate): Glucose-6-phosphate + 12NADP + 7H2O à 6CO2 + 12NADP.H2 + H3PO4 Do sử dụng một phaân tử ATP đñể phosphoryl hoùa glucose ở giai ñoaïn ñaàu neân số phaân tử ATP tạo thaønh laø 35. Toùm laïi trong cơ thể sinh vật, sự phaân giải cuõng coù theå thể tiến haønh theo nhều kiểu khaùc nhau. Caùc kieåu naøy bổ sung cho nhau coù thể xảy ra song song cuøng nhau hoặc một vaøi kiểu chiếm ưu thế ở những đñiều kiện nhất đñònh. Điều ñoù cũng noùi leân söï phong phuù cuûa caùc quaù trình thích nghi của sinh vật đñối với moâi trường sống, vì quaù trình phaân giải ñường cung cấp năng lượng chủ yếu cho mọi hoạt ñoäng sinh sống của cơ thể. YÙ nghĩa quan trọng nữa của quaù trình Pentosephosphate laø noù cung cấp caùc Pentosephosphate cần thiết cho caùc quaù trình tổng hợp caùc nucleotide đñồng thời caùc phaân tử NADPH2 tạo thaønh giữ vai troø quan trọng trong sinh tổng hợp axid beùo, caùc steoride vaø nhiều chất khaùc của cơ thể. QUAÙ TRÌNH QUANG HÔÏP: Ñaëc ñieåm: Caùc glucid ñôn giaûn ñöôïc toång hôïp bôûi caùc cô theå töï döôõng nhö caây xanh vaø caùc vi khuaån coù khaû naêng quang hôïp hoaëc toång hôïp ñöôïc glucid nhôø naêng löôïng thaûi ra töø söï oxy hoùa caùc hôïp chaát voâ cô: 6CO2 + 6H2OC6H12O6 + 6O2 Quaù trình quang hôïp cuûa caây xanh goàm 3 giai ñoaïn: Quaù trình quang phaân ly nöôùc keøm theo giaûi phoùng oxy phaân töû, trong ñoù coù söï tham gia cuûa chlorophyll. 2H2O + 2NADP aùnh saùng 2NADPH2 + O2 Moät chuoãi caùc phaûn öùng oxy hoùa – khöû nhôø söï tham gia cuûa chlorophyll vaø caùc chaát vaän chuyeån electron khaùc nhau. Quaù trình naøy ñöôïc thöïc hieän nhôø naêng löôïng cuûa aùnh saùng. Hydro vaø ATP ñöôïc duøng ñeå khöû CO2 taïo neân glucid. Giai ñoaïn nay khoâng caàn söï tham gia cuûa aùnh saùng (goïi laø phaûn öùng toái). Chlorophyll trong quang hôïp tham gia xuùc taùc cho chuoãi phaûn öùng oxy hoùa – khöû quang hoùa hoïc cuûa quaù trình. Söï khöû CO2 trong quang hôïp ñeå taïo neân glucid bao goàm haøng loaït caùc phaûn öùng trung gian phöùc taïp, goïi laø chu trình Calvin. Cô cheá: Giai ñoaïn 1: Saûn phaåm ñaàu tieân ñöôïc taïo thaønh trong quaù trình naøy laø 3-phosphoglycerate nhôø xuùc taùc laø enzyme ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase (Rubisco). Rubisco gaén hoaù trò phaân töû CO2 leân boä khung ribulose-1,5-bisphosphate taïo phöùc trung gian khoâng oån ñònh. Phöùc naøy ngay sau ñoù bò phaân raõ thaønh 2 phaân töû 3-phosphoglycerate. Giai ñoaïn 2: 3-phosphoglycerate bieán ñoåi thaønh glyceraldehyde-3-phosphate. Giai ñoaïn naøy ngöôïc vôùi giai ñoaïn töông öùng trong quaù trình ñöôøng phaân vôùi khaùc bieät sau: - Quaù trình toång hôïp söû duïng taùc nhaân khöû laø NADPH chöù khoâng phaûi laø NADH. - Maëc duø stroma cuûa chlorophyll chöùa taát caû enzyme xuùc taùc cuûa quaù trình ñöôøng phaân nhöng ñoù laø nhöõng enzyme ñoàng phaân (isoenzyme) cuûa nhöõng enzyme coù maët trong teá baøo chaát. Do ñoù, tuy cuøng xuùc taùc caùc phaûn öùng gioáng nhau chuùng laïi ñöôïc maõ hoaù bôûi caùc gene khaùc nhau. Luùc ñaàu 3-phosphoglycerate ñöôïc phosphoryl hoaù nhôø enzyme 3-phosphogycerate kinase taïo ra 1,3-bisphosphoglycerate, sau ñoù chaát naøy laïi bò khöû tieáp thaønh glyceraldehyde-3-phosphate nhôø enzyme glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase. Giai ñoaïn 3: Taùi sinh ribulose-1,5-bisphosphate. Laø quaù trình taùi saép xeáp boä khung cuûa triose thoâng qua quaù trình taïo moät soá saûn phaåm ñöôøng trung gian (4C, 5C, 6C, 7C). Tröôùc tieân laø söï hình thaønh fructose-6-phosphate töø glyceraldehyde-3-phosphate vaø saûn phaåm bieán ñoåi ñoàng phaân cuûa noù laø dihydroxyacetone phosphate (DAP). Sau ñoù laø moät loaït caùc phaûn öùng giai ñoaïn: Enzyme transketolase chuyeån nhoùm ketol (CH2OH-CO-) töø fructose-6-phosphate sang glyceraldehyde-3-phosphate taïo ñöôøng xylulose-5-phosphate vaø ethryrose-4-phosphate. Enzyme aldolase xuùc taùc phaûn öùng truøng ngöng ethryrose-4-phosphate vaø dihydroxyacetone phosphate coøn laïi taïo ñöôøng sedoheptulose-1,7-bisphosphate. Enzyme sedoheptulose-1,7-bisphosphatase xuùc taùc thuûy giaûi nhoùm phosphate ôû vò trí C1 cuûa sedoheptulose-1,7-bisphosphate taïo ra sedoheptulose-7-phosphate. Enzyme transketolase beû gaõy sedoheptulose-7-phosphate thaønh ñoaïn chöùa 2C vaø ñöôøng ribose-5-phosphate. Enzyme transketolase keát hôïp ñoaïn 2C vôùi glyceraldehyde-3-phosphate taïo ñöôøng rilulose-5-phosphate. Enzyme isomerase vaø epimerase xuùc taùc bieán ñöôøng ribose-5-phosphate thaønh ñöôøng rilulose-5-phosphate. Enzyme rilulose-5-phosphate kinase xuùc taùc cho phaûn öùng phosphoryl hoaù ñöôøng rilulose-5-phosphate taïo ra phaân töû khôûi ñaàu cuûa chu trình Calvin laø ñöôøng rilulose-1,5-bisphosphate. Phöông trìng toång quaùt cuûa quang hôïp coù daïng sau: 6CO2 + 23H2O + 18ATP à fructose-6-phosphate + 18ADP + 17H3PO4 + 6CO2 Ñeå ñaûm baûo moät phaàn naêng löôïng aùng saùng do chlorophyll haáp thuï ñöôïc chuyeån thaønh naêng löôïng hoaù hoïc tích tröõ trong caùc lieân keát cao naêng cuûa ATP. Quaù trình naøy keøm theo vieäc söû duïng caû phosphate voâ cô vaø ñöôïc goïi laø Quang phosphoryl hoaù bao goàm 2 quaù trình khaùc nhau: söï quang phosphoryl hoaù voøng (naêng löôïng aùnh saùng duøng ñeå taïo neân ATP) vaø söï quang phosphoryl hoaù khoâng voøng (moät phaàn naêng löôïng ñöôïc chuyeån vaøo ATP, phaàn khaùc ñeå taïo neân NADPH2). Theo Arnon : söï quang phosphoryl hoaù voøng ñöôïc bieåu dieãn baèng phöông trình: nADP + nP voâ cô nATP Coøn söï quang phosphoryl hoaù khoâng voøng: 4H2O + 2ADP + 2H3PO4 + 2NADP à 2ATP + 2NADPH2 + O2 + 2H2O YÙ nghóa: ATP vaø NADPH2 ñöôïc taïo thaønh do söï quang phosphoryl hoaù khoâng voøng ñeàu ñöôïc söû duïng trong quang hôïp cuõng nhö trong nhieàu phaûn öùng trao ñoåi khaùc cuûa cô theå thöïc vaät. ATP VAØ HIEÄU SUAÁT TÍCH LUYÕ NAÊNG LÖÔÏNG: _ Trong quaù trình ñöôøng phaân, söï chuyeån hoaù cuûa glucose tôùi pyruvate taïo 2 phaân töû ATP vaø 2 phaân töû NADP2 .Khi qua chuoãi hoâ haáp, 2 phaân töû naøy bò oxi hoaù vaø theo con ñöôøng phosphoryl hoaù taïo 6 phaân töû ATP. _ Trong chu trình Kersb, 2 phaân töû pyruvate bò oxi hoaù ñeán acetylcoenzyme A taïo 2 phaân töû NADH2 roài chuyeån thaønh 6 phaân töû ATP. Hai phaân töû acertylcoenzyme A bò oxi hoaù hoaøn , qua chuoiã hoâ haáp taïo 24 phaân töû ATP. _ Nhö vaäy, 1 phaân töû glucose bò oxi hoaù ñeán CO2 vaø H2O, giaûi phoùng naêng löôïng öùng vôùi 38 phaân töû ATP töông ñöông 380 kcal. _ Hieäu suaát tích luyõ naêng löông vaøo khoaûng 55% toaøn boä naêng löôïng tieàm aån trong 1 phaân töû glucose. Trong ñoù, naêng löôïng giaûi phoùng ôû giai ñoaïn ñöôøng phaân ñöôïc tích luyõ trong ATP chæ chieám 5%. Ñaây laø ñaëc ñieåm cô baûn veà baûn chaát vaø cô cheá cuûa quaù trình oxi hoaù sinh hoïc lieân hôïp vôùi söï phosphoryl hoaù oxy hoaù. Toùm laïi ôû cô theå SV, söï chuyeån hoùa töông hoã giöõa caùc Monosaccharide thöïïc hieän thöôøng xuyeân nhôø nhieàu con ñöôøng khaùc nhau vaø nhieàu heä enzim khaùc nhau; caùc kieåu chuyeån hoùa seõ chieám öu theá tuøy theo töøng ñoái töôïng, ñieàu kieän khaùc nhau cuûa moâi tröôøng soáng baûo ñaûm cho cô theå SV thöïc hieän söï trao ñoåi gluxit 1 caùch hoaøn haûo.