chương vi glucid và sự chuyển hóa glucid

Trong các phản ứng liên tục của quá trình đường phân, ba loại biến đổi hóa học đáng lưu ý đặc biệt: 1 sự thoái hóa của bộ khung carbon của glucose thành pyruvate, 2 sựphosphoryl hóa của

Tr ường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật ……… 141

CH ƯƠNG VI

1 Khái ni ệm và vai trò về glucid

Glucid là những hợp chất hydratcacbon có chứa nhóm aldehyt hoặc ceton ở các monosacarid hoặc tạo thành những chất như vậy khi bị thuỷ phân Là những chất đường bột,

chất xơ, là nguồn dinh dưỡng quan trọng hàng ngày của mọi cơ thể sinh vật Trong thực vật glucid chiếm 80-90% vật chất khô, chúng được tạo ra do quá trình quang hợp, cơ thể động vật không có khả năng này mà phải thu nhận trực tiếp glucid từ thực vật Glucid chỉ chiếm 2% vật chất khô của động vật, nhưng nó đóng vai trò quan trọng

Vai trò: có hai vai trò chủ yếu của glucid đối với động vật là:

Vai trò v ề năng lượng: 1 g glucid khi oxy hoá hoàn toàn cho 4,1 kcalo Đối với người

và gia súc nói chung glucid cung cấp 60-70% nhu cầu về năng lượng cho cơ thể, đối với loài nhai lại như trâu bò dê cừu thì hầu hết nhu cầu về năng lượng là từ glucid Glucid là chất dự

trữ năng lượng đầu tiên (trước protein và lipid), là sản phẩm đầu tiên của quá trình quang hợp,

là nguồn năng lượng trực tiếp dễ dàng khai thác và ít gây biến cố nguy hại cho cơ thể

Vai trò v ề tạo hình:

Từ glucose có thể chuyển hoá thành acid glucoronic là chất khử độc số một của cơ thể

Từ glucose có thể amin hoá thành glucozamin hoặc tiếp tục được acetyl hoá thành acetyl glucozamin, đây là 2 chất quan trong trong cấu trúc màng, nó tạo ra yếu tố chỉ định tính kháng nguyên của màng (ví dụ màng của hồng cầu)

Hình 6.1 S ự chuyển hoá của Glucose thành các hợp chất cấu tạo

Acid hyalucoronic là chất "xi măng" có tác dụng gắn các tế bào với nhau, khi chất này

bị phân huỷ thì mô bào bị tan rã, enzyme phân huỷ chúng là hyalucoronidase (enzyme này có tính đặc hiệu theo loài)

Heparin là chất chống đông máu

Các đường ribose và desoxiribose là thành phần cấu tạo của acid nucleic

2.1.1 Triose: (C3H6O3) Đại diện là glyxerose (glyxeraldehydeyt)

2.1.2 Tetrose: (C4H8O4) Đại diện là erytrose, treose

H

O C C C

OH H

H

D G l y x e r o s e

CH 2OH

OH H

O C C C

H HO

H

CH 2OH

OH H

D e r y t r o s e D t r e o s e

2.1.3 Pentose: (C5H10O5) Đại diện là ribose, desoxyribose, arabinose, xylose

O C C C

H H

H

C

OH H

CH2OH

OH H

H HO

H

C

OH H

CH 2 OH

OH H

O C C C

OH H

H

C

H HO

CH 2 OH

OH H

D rib o se D d eso x irib o se D arab in o se D x ylo se

2.1.4 Hexose ((C6H12O6) Đại diện là glucose, galactose, alose, manose

O C C C

OH H

H

C

H HO

C

OH H

CH 2 OH

OH H

H HO

H

C

H HO

C

OH H

CH 2 OH

OH H

O C C C

OH H

H

C

H HO

C H HO

CH2OH

OH H

D a lo se D glu c o se D m a n o se D g a la c to se

Tr ường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật ……… 143

Ngoài những chất monose có nhóm aldehydeyt kể trên còn có loại monose chứa nhóm ceton như ribulose, fructose

CH 2OH C C O

C

H HO

C

OH H

CH2OH

OH H

D.fructose

CH2OH C C O

C

OH H

CH2OH

OH H

D.ribose

2.2 Lo ại ozid (loại đa đường): là những glucid phức tạp do nhiều đường đơn ghép lại Loại này

gồm hai nhóm lớn là holozid và heterozid

2.2.1 Holozid: là loại đa đường khi thuỷ phân cho ra đường đơn, nên còn gọi là glucid đơn thuần Nhóm này gồm có:

Oligosaccarid (Oliose): có cấu trúc đơn giản gồm từ hai đến ba đường đơn nên còn gọi

là disaccarid, trisaccarid

Polysaccarid (polyose): có cấu trúc phức tạp gồm nhiều đường đơn tạo thành Những đại diện chính là tinh bột, Glycogen, Cellulose, Hemicellulose

2.2.2 Heterozid: là loại đa đường không thuần nhất, có cấu tạo phân tử và thành phần

phức tạp Ngoài các đường đơn còn có các dẫn xuất của đường đơn như Hexozamin, Hexosunfat Đại diện như mucopolysaccarid, chất điển hình như acid hyaluronic Loại này

có trong dịch bao khớp, trong thuỷ tinh thể của mắt và trong nhiều mô bào khác Khối lượng phân tử khoảng 200-500 ngàn Dal, hoà tan trong dung dịch rất nhớt Nhờ tính này nên acid hyaluronic được ví như chất “xi măng” gắn các tế bào trong mô Đem thuỷ phân chất này người ta được acetyl – glucozamin và acid glucoronic Công thức cấu tạo như sau:

COOHO

CH2OH

O

3 Tiêu hoá, h ấp thu và dự trữ glucid ở động vật

3.1 Tiêu hoá, h ấp thu tinh bột

Tinh bột là chất dự trữ glucid của thực vật, có nhiều trong các hạt ngũ cốc, các loại củ

như khoai sắn , nó là nguồn năng lượng chính của động vật Thành phần của tinh bột gồm: Amylose chiếm 20% khối lượng tinh bột và Amylopectin chiếm 80% khối lượng tinh bột Chúng đều được cấu tạo từ các α-D - glucose Ở Amylose các phân tử glucose liên kết với nhau bằng liên kết α-D - glucoside 1-4 Ở Amylopectin ngoài liên kết α-D - glucoside 1-4, các phân tử đường còn liên kết với nhau bằng liên kết α-D - glucoside 1-6, khoảng cách giữa

các liên kết glucoside 1-6 là từ 20 đến 25 phân tử glucose Các phân tử glucose trong Amylose ở dạng thuyền nó tạo cho Amylose có dạng xoắn lò xo và tạo thành phức màu xanh

với iod nên iod là thuốc thử của tinh bột

Quá trình tiêu hoá tinh bột là quá trình thuỷ phân bởi enzyme glucozydase1-4 (Amylase) và glucozydase 1-6 Có 4 loại glucozydase:

α- Amylase: do tuyến nước bọt và tuyến tuỵ tiết ra có tác dụng cắt liên kết glucoside

1-4 dưới tác dụng của enzyme này tinh bột bị phân giải thành maltose và các dạng dextrin β- Amylase: có ở thực vật, trong các hạt ngũ cốc lúc nảy mầm, dưới tác dụng của enzyme này tinh bột bị phân giải thành maltose

γ- Amylase: có chủ yếu ở gan và ở vi sinh vật, có tác dụng cắt liên kết glucoside 1-4, cắt

từng phân tử một, sản phẩm của nó là glucose

Glucozydase 1-6: có hoạt lực yếu ở nước bọt, mạnh ở tuyến tuỵ, nó cắt liên kết glucoside 1-6

Ở miệng: Tinh bột bị tác dụng cơ học do bị nhai, nhào trộn, trương nở Quá trình này

làm tăng diện tích tiếp xúc giữa enzyme với cơ chất, ngoài ra tinh bột bị α- Amylase do tuyến

nước bọt tiết ra tác dụng, enzyme này cần có ion Ca++

tham gia và được hoạt hoá bởi ion Cl

-,

nó hoạt động trong môi trường gần trung tính pH = 6,7 - 7,2 Dưới tác dụng của α- Amylase tinh bột bị thuỷ phân thành đường maltose, và các dạng dextrin Trong nước bọt còn có enzyme maltase thuỷ phân maltose thành glucose

Ở dạ dày: không có enzyme tiêu hoá tinh bột, sự tiêu hoá tinh bột bị đình trệ vì môi

trường acid ở đây do dịch vị làm tê liệt Amylase của nước bọt đưa xuống Song với loài dạdày lớn và ăn nhiều một lúc như lợn thì phần tinh bột ở giữa khối thức ăn vẫn bị tiêu hoá do HCl chưa thấm vào

Ở ruột non: đây là nơi tiêu hoá kết thúc tinh bột Ngoài Amylase, glucozydase 1-6,

tuyến tuỵ còn tiết ra enzyme maltase, saccarase, lactase Enzyme maltase thuỷ phân đường maltose, saccarase thuỷ phân đường saccarose, lactase thuỷ phân đường lactose Dưới tác dụng của các enzyme kể trên tinh bột và các loại đa đường khác biến thành các đường đơn glucose, fructose, galactose

Maltose +H2O -> 2D-glucose

Tr ường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật ……… 145

Trehalose +H2O -> 2D-glucose

Trehalase

Từ các đường đơn đó, chúng được hấp thu qua tế bào vách ruột vào máu Quá trình hấp thu đường diễn ra theo 2 cách:

Hấp thu thụ động (theo sự chênh lệch về nồng độ), quá trình này không tốn năng lượng

Hấp thu chủ động (ngược gradien nồng độ) quá trình này tiêu tốn năng lượng của ATP Tuy nhiên cả 2 cách đều cần có vật mang, vật mang thường là protein

Quá trình hấp thu chủ động thường gắn liền với hệ thống bơm Na và K

Khi các đường đơn vào tế bào vách ruột, tại đây chúng được đồng nhất hoá thành glucose, nhờ enzyme isomerase Glucose qua tế bào vách ruột vào mao mạch và hệ tĩnh mạch, qua tĩnh mạch cửa về gan, ở đó tuỳ theo yêu cầu mà glucose sẽ biến thành fructose, galactose Ở gan glucose từ thức ăn vào được sử lý theo 2 hướng:

Phần lớn theo hướng chuyển hoá thành lipid, một phần chuyển hoá thành glycogen để

dự trữ

Sử dụng vào các nhu cầu như năng lượng, tạo thành các hợp chất cấu tạo Quá trình sử

dụng, glucose có thể vào máu để chở tới các mô bào

3.2 Sinh t ổng hợp glycogen

Cấu tạo của glycogen: Glycogen là chất dự trữ glucid của động vật, có thể coi glycogen như là "tinh bột" của động vật, vì nó cũng gồm 2 liên kết α -D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh bột ở chỗ là sự rẽ nhánh rậm rạp hơn, cứ cách 8-10 phân tửglucase có một liên kết nhánh α-D 1-6 Glycogen có nhiều ở gan ( chiếm 5-7% khối lượng của gan) ở cơ nó chiếm 2% khối lượng của cơ, do khối lượng cơ là lớn nên glycogen có ở cơ

là chính Hàm lượng này có thể biến động phụ thuộc vào dinh dưỡng và trạng thái sinh lý (đói, no, lao động, ngủ, thức )

Ở gan, cơ và nhiều mô bào khác có hệ thống enzyme chuyển hoá glucose thành glycogen Trong tế bào hệ thống enzyme đó phân bố ở tế bào chất và quá trình sinh tổng hợp glycogen diễn ra ở tế bào chất Dưới tác dụng của các enzyme hexokinase, mutase và transglucozydase một loạt các phản ứng diễn ra như sau:

1/ Hoạt hoá glucose do tác dụng của gluco-kinase

2/ Đồng phân hoá dưới tác dụng của enzyme mutase

H H H H

H2C O P O O-

O P O-

O P -O O-

O P O O-

O P -O O-

O P -O O-

O O

5/ Tạo Glycogen: Dưới tác dụng của enzyme transglucozydase 1-6, chuỗi Amylose cứcách 8-10 phân tử glucose sẽ có liên kết 1-4 chuyển thành liên kết 1-6 Kết quả tạo thành phân

tử glycogen có nhánh rẽ rậm rạp, các phân tử này tích tụ lại trong tế bào thành hạt

Tr ường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật ……… 147

Enzyme trans glucozydase 1- 4 tồn tại ở 2 trạng thái:

Dạng I: Independant (độc lập, tự chủ) ở trạng thái này có hoạt lực

Dạng D: Dependant (phụ thuộc) không có hoạt lực Hai dạng này có thể chuyển hoá cho nhau, từ dạng I nếu được phosphoryl hoá thì sẽ chuyển thành dạng D và ngược lại Điều khiến quá trình này là hormone Insuline của tuyến tuỵ Hormone này có vai trò chuyển hoá enzyme này từ dạng D sang dạng I làm tăng cường quá trình tổng hợp glycogen từ đó làm giảm hàm

lượng đường trong máu

+ ATP

Dạng I < ===== > Dạng D

- ATP

3.3 S ự phân giải glycogen

Khi nhu cầu về năng lượng của cơ thể tăng lên, lượng glucose sẽ bị huy động và hàm

lượng của nó ở trong máu bị hạ xuống, lúc đó gan sẽ giải phóng glucose từ glycogen để đưa vào máu, giữ cho hàm lượng glucose trong máu được ổn định Quá trình phân giải glycogen ở

cơ cũng xảy ra nhưng nó chỉ chuyển hoá đến dạng glucose 6-P rồi đưa vào quá trình sử dụng chứ không thành glucose tự do để đưa vào máu

Glycogen ở gan được phân giải theo 2 cách:

Cách 1: Phân giải theo con đường thuỷ phân bởi tác dụng của enzyme γ- Amylase với

sự tham gia của nước, cách phân giải này không đáng kể

Cách 2: Phân giải theo con đường phosphoryl hoá (phosphorolysis: phospho phân), cách phân giải này là chủ yếu

Quá trình này được thực hiện bởi một hệ thống enzyme mà chủ yếu là enzyme phosphorylase "a" Dưới tác dụng của enzyme này quá trình phân giải diễn ra như sau:

phosphorylase "a" mutase phosphatease

Gly + H3PO4 -> Gl 1-P -> Gl 6-P - > Gl + H3PO4

Glucose được tách khỏi các nhánh của glycogen qua hoạt động của 2 enzyme: glycogen phosphorylase và phosphoglucomutase Glycogen phosphorylase xúc tác phản ứng cắt liên

kết ion α-1-4 glucoside 2 gốc glucose trong glycogen dưới sự tấn công bởi phosphate vô cơ, tách gốc glucose cuối cùng tạo thành α-D- glucose 1- phosphate (hình 6.2) Phản ứng phospho phân này xảy ra sự huy động bên trong tế bào của glycogen dự trữ, khác với sự thuỷphân liên kết glucoside bởi amylase khi thoái hóa glycogen Trong phospho phân, một sốnăng lượng của liên kết glucoside được giữ trong sự hình thành este phosphate, glucose 1- phosphate

Pyridoxal phosphate là yếu tố cần thiết trong phản ứng glycogen phosphorylase; nhóm phosphate của nó hoạt động

như là sự xúc tác acid chung, làm tăng sự tấn công bởi Pi trên liên kết glucoside Hoàn toàn khác vai trò của yếu tố pyridoxal phosphate trong trao đổi acid amin

Glycogen phosphorylase tấn công lặp lại trên các đầu không khử của các nhánh glycogen đến điểm còn 4 gốc glucose của điểm nhánh (α1-6) Ở đây sẽ ngừng hoạt động của glycogen phosphorylase Sự thoái hóa tiếp tục có thể xảy ra

Glycogen bị bẻ gãy gần các điểm nhánh (α-1- 6) sau khi loại các gốc glucose đầu không khử bởi glycogen phosphorylase (hình 6.2) Các gốc glucose gần nhánh được loại bỏ

tiếp bước hai nhờ hoạt động của enzyme “loại nhánh” Đầu tiên hoạt tính transferase của enzyme thay đổi vị trí cản trở của 3 gốc glucose kể từ nhánh gần đầu không khử, chúng được

tấn công lại trong liên kết (α1- 4) Sau đó gốc glucose đơn lẻ được loại ra bởi hoạt động enzyme (α1-6) glucosidase Chỉ sau khi hoạt động của enzyme “loại nhánh” oligo (α1-6) đến

Hình 6.2: Lo ại gốc glucose đầu cuối không khử của chuỗi glycogen bởi hoạt động

c ủa glycogen phosphorylase Quá trình này được lập đi lặp lại, kết quả là loại gốc

glucose cho đến khi còn 4 gốc glucose tính từ điểm nhánh ( hình 6.3)

Tr ường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật ……… 149

(α1-4) glucotransferase, nó xúc tác cho 2 phản ứng để loại nhánh glucose-1-phosphate, sản

phẩm cuối của phản ứng glycogen phosphorylase sẽ được biến đổi thành glucose-6- phosphate bởi phosphoglucomutase, đây là phản ứng thuận nghịch

Glucose-1-phosphate glucose –6-phosphate Phosphoglucomutase đòi hỏi yếu tố glucose –1,6-diphosphate, vai trò của nó tương tựnhư 2,3-diphosphoglycerate trong phản ứng xúc tác bởi phosphoglycerate mutase (hình 6.2) Phosphoglucomutase giống phosphoglycerate mutase, chu trình giữa dạng phosphoryl hóa và không phosphoryl hóa Tuy nhiên trong phopshoglucomutase nhóm hydroxyl của gốc Ser trong trung tâm hoạt động thực hiện phosphoryl hóa trong vùng xúc tác

Enzyme phosphorylase tồn tại ở 2 trạng thái:

Trạng thái hoạt hoá (phosphorylase "a") ở trạng thái này nó tồn tại ở cấu trúc bậc 4 gồm

4 tiểu phần (tetrame)

Trạng thái ức chế (phosphorylase "b") ở trạng thái này nó tồn tại ở cấu trúc 2 tiểu phần (dime) Hai trạng thái này có thể chuyển hoá cho nhau, từ dạng "b" nếu được phosphoryl hoá thì sẽ chuyển thành dạng "a" và ngược lại

Hình 6.3: Glycogen b ị bẻ gãy gần các điểm nhánh α-1- 6

Tr ường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật ……… 151

Protein kinase lại chịu sự tác dụng của 3/

,5/- AMP vòng dưới sự điều tiết của Adrenalin

và glucagon

3.4 S ự tiêu hoá và hấp thu chất xơ

Chất xơ bao gồm nhiều nhóm, trong đó chủ yếu là cellulose và hemicellulose, ngoài ra

còn có lignin (vỏ bọc tế bào) Tỷ lệ các loại này khác nhau ở các loại rau cỏ và tuổi của

chúng Loại cỏ non hemi cellulose chiếm 30-40%, cellulose chiếm 60-70% Khi cỏ già

cellulose chiếm 90% còn hemi cellulose chỉ chiếm 5-10%

Về cấu tạo: cellulose có cấu tạo từ β-glucose, các phân tử β- glucose liên kết với nhau

bằng liên kết β- glucosid 1-4 Các phân tử β-glucose trong cellulose ở dạng ghế làm cho

cellulose có cấu trúc hình sợi

CH2

O

n

Hemicellulose là chất được cấu tạo từ các đường đơn không phải glucose như: pentose,

hexose loại manose, galactose, fructose,

CHO C C C C

CH2-OH

H OH

OH

H

OH H

OH H

CHO C C C C

CH2-OH

OH H

OH OH

OH H

OH H

CH2-OH C C C C

CH2-OH

O OH

H

OH H

OH H

Manose

Lignin: là hợp chất phức tạp, thành phần chủ yếu là các acid xuất phát từ đường, nó không tiêu hoá được

Chất xơ, bản thân động vật không thể tiêu hoá được vì chúng không tiết ra enzyme tiêu hoá chất xơ (enzyme cellulase) Nhưng trong quá trình tiến hoá của sinh vật, phần lớn động

vật ăn cỏ như trâu, bò, dê, cừu, thỏ, ngỗng đã hình thành một khả năng thích nghi, đó là sự

cộng sinh giữa chúng với vi sinh vật (VSV), chỉ có VSV mới có enzyme tiêu hoá chất xơ(enzyme cellulase) Sự cộng sinh này được tiến hành ở ống tiêu hoá mà điển hình là dạ cỏ loài nhai lại, manh tràng ở ngựa, thỏ, ngỗng

S ự tiêu hoá chất xơ ở dạ cỏ

Trong quá trình tiến hoá, dạ cỏ không chỉ là nơi chứa thức ăn, mà dạ cỏ còn tham gia rất tích cực vào quá trình tiêu hoá, có thể coi dạ cỏ là một túi lên men chất xơ Quá trình đó theo

sơ đồ sau:

Cellulase (VSV) Isomelase(VSV) lên men (VSV)

Cellulose -> β-glucose <=========> α-glucose -> các acid béo bay hơi Các acid béo bay hơi là sản phẩm của quá trình lên men, đây là nguồn năng lượng chính cho loài nhai lại (chiếm 60-80% nhu cầu về năng lượng của loài nhai lại) Quá trình tiêu hoá này được thực hiện bởi hệ VSV trong dạ cỏ

H ệ VSV trong dạ cỏ

Về số lượng là rất lớn: nhóm vi khuẩn (Bacteria) có tới 109

con/gam chất chứa dạ cỏ, nhóm nguyên sinh động vật (Protozoa) có tới 105

- 106 con/gam chất chứa dạ cỏ

Về chủng loại chia làm 3 lớp lớn:

Vi khuẩn (Bacteria) bao gồm: Trực khuẩn (Bacteria bacillus); Cầu khuẩn (Coccus);

Xoắn khuẩn( Spirochera) Vi khuẩn chiếm số lượng lớn nhất trong hệ VSV dạ cỏ, phần lớn chúng là các VSV kị khí, là nhóm đóng vai trò chính trong tiêu hoá ở dạ cỏ, chúng có tác

dụng phân giải cellulose thành các acid béo bay hơi

Nhóm nguyên sinh động vật (Protozoa): nhóm này cũng có hàng trăm chủng loại khác nhau, có tác dụng phân giải cellulose và đường bột thành các dạng đường dễ tiêu, tích luỹ

Hình 6.4 C ấu tạo của thảo phúc trùng (protozoa)

Tr ường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật ……… 153

trong tế bào (hình 6.4) Nhược điểm của nhóm này là chúng không có khả năng sử dụng NH3

như vi khuẩn, nguồn nitơ đáp ứng nhu cầu của chúng chủ yếu là từ thức ăn và vi khuẩn nên chúng nuốt rất nhiều vi khuẩn, có nhiều quan điểm cho rằng nếu ức chế nhóm này sẽ làm tăng quá trình lên men xellolose do vi khuẩn không bị diệt

Nấm (Fungi): bao gồm nấm men và nấm mốc Người ta cho rằng nấm có vai trò xâm

nhập và tiêu hoá thành phần cấu trúc tế bào thực vật, làm giảm độ bền chặt của cấu trúc này góp phần làm tăng sự phá vỡ của các mảnh thức ăn khi được nhai lại, từ đó tạo điều kiện cho

vi khuẩn bám vào để phân giải cellulose Một số nấm men có thể lên men đường glucose, chuyển hoá chúng thành CO2 và H2O và tổng hợp thành nhiều loại vitamin nhóm B

Dưới tác dụng của hệ VSV dạ cỏ, chất xơ bị phân giải thành α- glucose α- glucose đi theo 2 hướng:

Tích luỹ thành glycogen trong protozoa, đây là con đường phụ

Lên men là con đường chủ yếu Lên men là quá trình phân giải glucose một cách phức tạp diễn ra trong điều kiện yếm khí Quá trình này diễn ra trong tế bào VSV Trong quá trình này phân tử đường glucose biến thành các acid béo bay hơi Đối với bản thân tế bào VSV đây

là cách khai thác năng lượng để sống, quá trình lên men là quá trình tạo ATP cho VSV, còn các acid béo bay hơi là sản phẩm thải loại của VSV sau khi đã dùng glucose Những acid béo này là những chất dinh dưỡng hết sức quyết định đối với động vật nhai lại sau khi được hấp thu vào máu

Tỷ lệ về hàm lượng các acid béo bay hơi phụ thuộc vào hoạt động của VSV, mà sự hoạt động này lại phụ thuộc vào nguồn thức ăn và pH của dạ cỏ Trong điều kiện tối ưu: pH dạ cỏ

bằng 6-7 thì những chủng VSV lên men acid axetic là chủ yếu, hàm lượng acid này là 60%, rồi đến acid propionic: 20%, acid butylic: 10%, acid valeic: 5% và acid lactic là rất ít

Yếu tố làm cho pH của dạ cỏ ổn định là nhờ các muối bicacbonat của nước bọt của loài nhai lại (nưóc bọt loài nhai lại có hàm lượng bicacbonat rất cao, lượng nước bọt tiết ra lại nhiều (100lit/ngày đêm) Các bicabonat vào dạ cỏ làm trung hoà acid béo tạo ra trong quá trình lên men:

NaHCO3 + H+ - > Na+ + H2CO3 > H2O + CO2

Như vậy lượng CO2 sinh ra khá nhiều, vì lý do nào đó mà không ợ được CO2 ra kịp thì

sẽ sinh ra chứng chướng hơi dạ cỏ

Dạ cỏ hay những xoang tiêu hoá như vậy là nơi lý tưởng cho hệ VSV hoạt động vì ở đó

có các điều kiện tối ưu đó là:

Nhiệt độ: 38-39o

C

Yếm khí

Độ ẩm: 45-65% (độ ẩm này do nước uống và nước bọt )

pH thích hợp: 6,5-7,5 pH này có thể thay đổi do nhiều yếu tố nhất là do thức ăn: nếu ăn

thức ăn dễ tiêu thì quá trình lên men mạnh, lượng acid béo tăng lên pH sẽ giảm, ăn thức ăn ủchua pH cũng giảm, thức ăn nhiều protein pH sẽ tăng Khi pH thay đổi do thức ăn thì tỷ lệcác acid béo bay hơi sẽ thay đổi và kéo theo sự thay đổi pH càng mạnh Nếu acid lactic tăng lên sẽ sinh ra ỉa chảy, acid butyric tăng sẽ sinh ra thể ceton huyết

Các acid béo được hình thành ở dạ cỏ, chúng thấm qua vách dạ cỏ vào máu và được sử

dụng trực tiếp vào quá trình dinh dưỡng của loài nhai lại như cung cấp năng lượng, tổng hợp các acid amin, tổng hợp lipid sữa và một phần trở thành glucose ở gan

4 S ự chuyển hoá trung gian của glucose

4.1 Khái quát v ề sự chuyển hoá trung gian của glucose

Glucose được máu chở tới các mô bào và được đưa vào tế bào nhờ hệ thống vận chuyển tích cực Ở tế bào chất glucose được phân giải để dùng vào các nhu cầu của tế bào mà trước

hết là nhu cầu về năng lượng Trong cơ thể nơi sử dụng glucose nhiều nhất là cơ bắp

Xét về mặt chuyển hoá glucose ở cơ thể sinh vật có hai kiểu: Phân giải yếm khí và phân giải hiếu khí Hai cách phân giải này đặc biệt chặt chẽ ở VSV VSV phân giải yếm khí khi có O2 thì không sống được, nếu là hiếu khí thì thiếu O2 cũng không sống được Giữa hai giới đó

có một giới trung gian dùng được cả hai cách phân giải trên đó là mô bào động vật

Ở VSV sự phân giải yếm khí glucose gọi là sự lên men, còn ở mô bào động vật gọi là sựđường phân Hai quá trình đó giống nhau ở chỗ là đều phân giải glucose trong điều kiện yếm khí và đều khai thác năng lượng tạo ATP cho tế bào, nó khác nhau ở chỗ là sự lên men diễn ra trong tế bào VSV, sản phẩm cuối cùng là những sản phẩm lên men như rượu ethylic (lên men rượu), acid axetic (lên men dấm), acid lactic (lên men sữa chua) còn quá trình đường phân

chỉ cho ra một sản phẩm duy nhất là acid lactic:

Sự phát hiện đầu tiên của Eduard Buchner (năm 1897) về sự lên men nhờ dịch chiết của

tế bào nấm men, các nghiên cứu chi tiết bởi Fridz Lipmann và Herman Kalekar (năm 1941)

về vai trò trao đổi chất của các hợp chất cao năng như ATP trong quá trình trao đổi Các phản ứng của quá trình lên men và đường phân trong dịch chiết của nấm men và cơ là trung tâm nghiên cứu hóa sinh và các enzyme tham gia xúc tác các quá trình này cũng đã nghiên cứu kỹ lưỡng Trong cơ thể động vật có điều kiện yếm khí để xảy ra quá trình đường phân, đó là

những mô bào mạch máu bị chèn ép, máu không lưu thông tới, nhất là những lúc lao động, điều kiện yếm khí càng tăng và quá trình đường phân diễn ra càng mạnh

4.2.1 Quá trình đường phân gồm 2 pha

Bẻ gãy glucose 6 carbon thành 2 phân tử pyruvate 3 carbon xảy ra trong 10 bước, 5

bước đầu được gọi là pha chuẩn bị (hình 6.5a) Trong các phản ứng này, glucose đầu tiên bị

phosphoryl hoá ở nhóm Hydroxyl C-6 (bước) glucose-6-phosphate sau đó tạo thành fructose-6-phosphate (bước ), tiếp tục bị phosphoryl hóa, lần này là ở C-1, tạo thành

D-Tr ường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật ……… 155

fructose-1,6-diphosphate (bước) Đối với cả 2 lần phosphoryl hóa, ATP là chất cho phosphate

Fructose-1,6-diphosphate tiếp tục tạo thành 2 phân tử 3 carbon, dihydroxyacetone phosphate và glyceraldehyde-3-phosphate (bước) Dihydroxylacetone phosphate được đồng phân hóa thành phân tử glyceraldehyde – 3- phosphate thứ 2 (bước), đây là bước cuối cùng trong pha đầu tiên của quá trình đường phân Như vậy pha này đã sử dụng 2 phân tử ATP để

hoạt hóa phân tử glucose và cắt thành 2 phân tử 3 carbon

Hình 6.5 Hai pha c ủa quy trình đường phân

Năng lượng trả lại trong pha hoàn trả của quá trình đường phân (hình 6.5): Mỗi phân tửglyceraldehyde- 3- phosphate bị oxy hóa và bị phosphoryl hóa bởi phosphate vô cơ (không

bởi ATP) tạo thành 1,3-diphosphoglycerate (bước) Năng lượng được giải phóng cũng như

2 phân t

Năng lượng này được thực hiện bởi cặp phosphoryl hóa của 4 phân tử ADP thành ATP, trừ đi

2 phân tử ATP được sử dụng trong pha chuẩn bị Năng lượng của pha hoàn trả tạo thành 2 phân tử NADH2 trên một phân tử glucose

Trong các phản ứng liên tục của quá trình đường phân, ba loại biến đổi hóa học đáng lưu ý đặc biệt: (1) sự thoái hóa của bộ khung carbon của glucose thành pyruvate, (2) sựphosphoryl hóa của ADP thành ATP bởi hợp chất phosphate năng lượng cao tạo trong quá trình đường phân, và (3) sự chuyển các nguyên tử hydro hoặc các điện tử đến NAD+

tạo thành NADH2 Sự phân giải sản phẩm pyruvate phụ thuộc vào loại tế bào và các trường hợp trao đổi chất

Phân giải pyruvate: Có 3 hướng trao đổi của pyruvate được tạo thành bởi quá trình đường phân Trong các mô hoặc cơ thể hiếu khí thì quá trình đường phân tiếp tục chỉ ở bước đầu trong sự thoái hóa của glucose (hình 6.6) Pyruvate được oxy hóa, mất một nhóm CO2,

tạo thành nhóm acetyl của acetyl –CoA Sau đó oxy hóa phức chất đến CO2 và H2O qua một chuỗi phản ứng của chu trình Krebs (Chu trình acid xitric) xảy ra trong ty thể Năng lượng từcác phản ứng chuyển điện tử dẫn đến tổng hợp ATP trong ty thể

Hình 6.6: Ba khả

n ăng phân giải trao đổi

ch ất của pyruvate được

t ạo thành trong pha hoàn

tr ả của quá trình đường

phân Pyruvate c ũng là

ch ất tiền thân trong nhiều

ph ản ứng yếm khí

Con đường thứ hai

đối với sự trao đổi pyruvate

là sự khử nó thành lactate

Khi mô cơ, xương co cơ

mạnh phải làm việc trong

điều kiện yếm khí,

pyruvate không thể bị oxy

hóa vì thiếu oxy Dưới điều

Tr ường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật ……… 157

điều kiện hiếu khí Lactate cũng là sản phẩm của quá trình đường phân dưới điều kiện yếm khí trong vi sinh vật khi xảy ra sự lên men acid lactic (hình 6.6)

Con đường thứ 3 đối với sự trao đổi của pyruvate dẫn đến tạo ethanol Trong một số

mô thực vật và trong động vật không xương sống, sinh vật đơn bào và vi sinh vật như nấm men bia, pyruvate được biến đổi yếm khí tạo thành ethanol và CO2, quá trình này được gọi là

sự lên men rượu (alcohol) hay ethanol (hình 6.6)

4.2.2 Pha chu ẩn bị của quá trình đường phân cần ATP

Pha này xảy ra 5 phản ứng:

1 S ự phosphoryl hóa của glucose.

Trong bước đầu tiên của quá trình đường phân glucose được phosphoryl hóa ở C-6 thành glucose-6-phosphate ATP là chất cho phosphate (Hình 6.7)

Phản ứng này xảy ra trong tế bào và được xúc tác bởi hexokinase Tên chung kinase được sử dụng cho các enzyme xúc tác chuyển nhóm phosphate cuối cùng từ ATP đến một sốchất nhận hexose, trong trường hợp của hexokinase các kinase nằm trong lớp transferase Hexokinase xúc tác sự phosphoryl hóa không chỉ của D-glucose mà còn của các hexokinase khác, như D-fructose và D-mannose Hexokinase Cũng giống như nhiều kinase khác nó cần Mg2+cho sự hoạt động, vì cơ chất thực sự của enzyme không phải là ATP 4-

Mg 2+ Hexokinase có m ặt trong các tế bào

c ủa tất cả các loài Tế bào gan cũng có

d ạng hexokinase gọi là hexokinaseD

ho ặc glucokinase Các hexokinase khác nhau trong động học và các đặc tính điều hoà.

2 S ự biến đổi của glucose - 6- phosphate thành fructose-6-phosphate.

Phosphohexose isomerase (phosphoglucose isomerase) xúc tác sự đồng phân hóa của aldolase, glucose - 6 - phosphate thành fructose – 6- phosphate(hình 6.9)

Hình 6 9.Đồng phân hoá glucose 6 - phosphate

Đây là phản ứng thuận nghịch nên sự thay đổi năng lượng tự do nhỏ Phosphohexose isomerase cũng cần Mg2+

và đặc biệt cho glucose – 6-phosphate

3 S ự phosphoryl hoá fructose 6-phosphate thành fructose 1,6-diphosphate

Hình 6.10 phosphoryl hoá fructose 6- phosphate

Đây là phản ứng thứ 2 quan trọng của quá trình đường phân, phosphofructokinase-1 xúc tác chuyển nhóm phosphate từ ATP đến fructose 6- phosphate thành fructose-1,6-diphosphate (hình 6.10)

Phản ứng này là không thuận nghịch dưới các điều kiện tế bào Enyme xúc tác được gọi

là phosphofructokinase –1 (PRK-1) phân biệt nó với enzyme thứ 2 (PFK-2) xúc tác cho sự tạo thành fructose –2,6-diphosphate từ fructose –6-phosphate

Tr ường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật ……… 159

Trong một số vi khuẩn và vi sinh vật đơn bào và trong cả thực vật, có phosphofructokinase sử dụng pyrophosphate (PPi) mà không sử dụng ATP như là chất cho nhóm phosphate trong sự tổng hợp của fructose –1,6 – diphosphate

Fructose-6-phosphate + PPi →

+ 2

Mg

Fructose-1,6-diphosphate + Pi (ΔG0'= 14KJ/mol)

-Phosphofructokinase –1 giống hexokinase là enzyme điều hoà, nó là điểm chính của sựđiều hoà trong quá trình đường phân Hoạt tính của PFK-1 tăng khi sự cung cấp ATP của tếbào suy giảm hoặc khi có sự vượt trội của các sản phẩm ATP bị bẻ gãy như ADP và AMP Enzyme ức chế mỗi khi tế bào có nhiều ATP và khi nó được cung cấp tốt bởi các nhiên liệu khác như acid béo Fructose –2,6-diphosphate, tương tự cấu trúc đối với sản phẩm của phản ứng này, nhưng không phải là chất trung gian trong quá trình đường phân, mà là chất kích thích có hiệu lực của cả hai enzyme phụ thuộc ATP và phụ thuộc PPi

4 Cắt fructose 1,6- diphosphate

Enzyme fructose-1,6-diphosphate aldolase thường được gọi đơn giản là aldolase, xúc tác trở lại sự ngưng tụ aldol Fructose-1,6- diphosphate được cắt thành 2 triose phosphate khác nhau là glyceraldehyde –3- phosphate và dihydroxyacetone phosphate (hình 6.11)

Hình 6.11 C ắt Fructose 1,6- diphosphate

Aldolase của mô động vật có xương sống không đòi hỏi cation hóa trị hai, nhưng trong nhiều vi sinh vật aldolase là enzyme có Zn2+

Mặc dầu phản ứng aldose có sự thay đổi năng

lượng tự do chuẩn lớn trong hướng cắt, trong các tế bào nó có thể tiến hành nhanh chóng theo các hướng khác nhau Trong suốt quá trình đường phân các sản phẩm phản ứng (2 triose phosphate) được di chuyển nhanh bởi bước 2 tiếp theo, phản ứng hướng theo chiều cắt

5 Sự chuyển hóa lẫn nhau của các triose phosphate.

Chỉ một trong 2 triose phosphate được tạo thành là aldose glyceral dehyde–3-phosphate

có thể được biến đổi với các bước phản ứng tiếp của quá trình đường phân Tuy nhiên, dihydroxy acetone phosphate lại nhanh chóng biến đổi thành glyceraldehyde-3-phosphate bởi enzyme thứ 5 của quá trình đường phân, triose phosphate isomerase (hình 6.12) Phản ứng này kết thúc pha chuẩn bị của quá trình đường phân, trong đó phân tử hexose bị phosphoryl hóa ở vị trí C-1 và C-6 và sau đó tạo thành 2 phân tử glyceral dehyde-3-phosphate Các hexose khác như D- fructose, D-manose và D-galactose cũng biến đổi thành glyceral dehyde –3- phosphate

Hình 6.12 S ự chuyển hóa lẫn nhau của các triose phosphate

4.2.3 Pha hoàn tr ả của quá trình đường phân tạo ATP

Pha hoàn trả của quá trình đường phân bao gồm sự biến đổi năng lượng các bước phosphoryl hóa trong đó một số năng lượng tự do của phân tử glucose bị biến đổi tạo thành ATP Cần nhớ rằng một phân tử glucose tạo thành 2 phân tử glyceral dehyde-3 phosphate Cả

2 phân tử này sau đó đi vào pha thứ 2 của quá trình đường phân Sự biến đổi 2 phân tửglyceral dehyde -3 phosphate thành 2 phân tử pyruvate kèm theo sự tạo thành 4 phân tử ATP

từ ADP Vì có 2 phân tử ATP được sử dụng trong pha chuẩn bị của quá trình đường phân đểphosphoryl hóa 2 đầu cuối của phân tử hexose

6 S ự oxy hóa glyceral dehyde-3- phosphate thành 1,3 –disphospho glycerate.

Giai đoạn đầu trong pha hoàn trả của quá trình đường phân là sự oxy hoá, sự biến đổi

Hình 6.13 S ự oxy hoá glyceral dehyde-3- phosphate

glyceral dehyde-3- phosphate thành 1,3 – diphosphate glycerate được xúc tác bởi glyceral dehyde-3 – phosphate dehydrogenase (hình 6.13) Đây là phản ứng đầu tiên của các phản ứng

biến đổi năng lượng của quá trình đường phân dẫn đến sự hình thành ATP Nhóm aldehyde

của glyceraldehyde 3- phosphate được dehydrogenase hóa, không tạo thành nhóm carboxyl tự

do mà tạo thành acid carboxylic anhydride với acid phosphoric Loại này của anhydride được

Tr ường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật ……… 161

gọi là acyl phosphate có năng lượng tự do chuẩn rất cao khi thuỷ phân ( 0 '

G

Δ = -49,3 KJ/ mol)

Rất nhiều năng lượng tự do của sự oxy hóa nhóm aldehyde của glyceraldehyde-3-phosphate được biến đổi bởi sự tạo thành của nhóm acyl phosphate ở C-1 của 1,3-diphosphate glyxerate

b ước (1) tạo thành liên kết hóa trị thiohemiacetal giữa cơ chất và nhóm sulfhydryl của gốc cys trong

trung tâm ho ạt động của enzyme Chất trung gian cơ chất này bị oxy hóa bởi NAD +

(b ước (2) biến đổi

nó thành ch ất trung gian liên kết hóa trị acyl-enzyme, thioester (bước (3)) Liên kết giữa nhóm acyl và

nhóm thiol c ủa enzyme Trong bước (4) liên kết thioester trải qua phản ứng phân ly acid phosphoric

(t ấn công bởi Pi), giải phóng enzyme tự do và tạo thành acyl phosphate (1,3-diphosphate glyceral) (b)

Iodoacetate là ch ất ức chế có hiệu quả của glyceraldehyde -3- phosphate dehydrogenase vì nó tạo

thành liên k ết cộng hóa trị với nhóm -SH chủ yếu của trung tâm hoạt động enzyme, làm nó bất hoạt

Chất nhận hydrogen trong phản ứng glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase là coenzyme NAD+, dạng oxy hóa của nicotinamide adenine dinucleotide Sự khử NAD+

được

tiến hành bởi enzyme chuyển ion hydrro (:H

-) từ nhóm aldehyde của glyceral dehyde 3 phosphate đến chu trình nicotinamide của NAD+

tạo thành coenzyme dạng khử Nguyên tửhydro khác của phân tử cơ chất xuất hiện trong dung dịch như H+

(hình 6.14 a)

Sự oxy hóa glyceral dehyde-3-phosphate bao gồm sản phẩm trung gian trong đó cơ chất

là liên kết cộng hóa trị với enzyme (hình 6.14a) Nhóm aldehyde của glyceral phosphate phản ứng đầu tiên với nhóm –SH của Cys chủ yếu trong trung tâm hoạt động của enzyme Phản ứng này tương ứng với sự tạo thành của hemiacetal nhưng trong trường hợp này sản phẩm là thiohemiacetal Sự phát hiện ra glyceral dehyde-3-phosphate dehydrogenase

dehyde-3-bị ức chế bởi iodoacetate (hình 6.14 b) là rất quan trọng trong lịch sử nghiên cứu quá trình đường phân

NADH2 tạo thành trong bước này của quá trình đường phân phải được oxy hóa lại thành NAD+ Các tế bào có số lượng giới hạn NAD+ và quá trình đường phân có thể thiếu đến một

nửa NAD+

là do NADH2 không được oxy hóa trở lại Các phản ứng trong đó NAD+

được phục hồi yếm khí sẽ được miêu tả chi tiết sau

7 Chuy ển phosphate từ 1,3 –diphosphoglycerate đến ADP.

Enzyme phosphoglycerat kinase chuyển gốc phosphate năng lượng cao từ nhóm carboxyl của 1,3 –diphosphoglycerate đến ADP, tạo thành ATP và phosphoglycerate (hình 6.15)

Hình 6.15 T ạo ATP từ 1,3 –diphosphoglycerate

8 S ự biến đổi của 3-phosphoglycerate thành 2-phosphoglycerate.

Enzyme phosphoglycerate mutase xúc tác chuyển thuận nghịch nhóm phosphate giữa C-2 và C-3 của glycerate –Mg2+

(hình 6.16)

Tr ường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật ……… 163

9 S ự loại nước của 2-phosphoglycerate thành phoshoenolpyruvate.

Phản ứng đường phân thứ hai tạo ra hợp chất với khả năng chuyển nhóm phosphate ở

mức cao được xúc tác bởi enolase Enzyme này làm tăng khả năng loại phân tử nước của phosphoglycerate tạo thành phosphoenolpyruvate (hình 6.17)

10 Chuy ển gốc phosphate từ phosphoenolpyruvate đến ADP.

Bước cuối cùng trong quá trình đường phân là chuyển gốc phosphate từphosphoenolpyruvate đến ADP, xúc tác bởi pyruvate kinase (hình 6.18)

Hình 6.18 T ạo ATP từ phosphoenolpyruvate

Trong phản ứng này, sự phosphoryl hóa cơ chất - sản phẩm pyruvate xuất hiện đầu tiên

ở dạng enol Dạng enol nhanh chóng hỗ biến và không tồn tại mà tạo thành dạng ceto của

Hình 6.17 T ạo phosphoenolpyruvate

Hình 6.16 T ạo 2-phosphoglycerate

pyruvate, dạng này chiếm ưu thế ở pH7 Phản ứng pyruvate kinase về cơ bản không thuận nghịch dưới điều kiện nội bào Pyruvate kinase đòi hỏi có K+

và Mg2+ hoặc Mn2+

Nó giữ vịtrí quan trọng của sự điều hoà (hình 6.19)

Hình 6.19 S ự hỗ biến của pyruvate

4.2.4 S ự cân bằng tổng thể và làm tăng ATP

Chúng ta có thể xây dựng sự cân bằng đối với quá trình đường phân để tính toán cho (1)

số phận khung carbon của glucose, (2) sự đi vào của Pi và NAD+

và sự đi ra của ATP và (3) con đường của các điện tử trong các phản ứng oxy hóa khử phía tay trái của sự cân bằng giới thiệu tất cả sự đi vào của ATP, NAD+

, ADP và Pi (tham khảo hình 6.5) và phía tay phải giới thiệu tất cả sự đi ra (cần lưu ý rằng mỗi phân tử glucose tạo thành 2 phân tử glyceral dehyde-3-phosphate):

Quá trình đường phân được điều hoà chặt chẽ

Khi nghiên cứu sự lên men của glucose bởi nấm men, Louis Pasteus đã phát hiện ra

rằng cả tốc độ và tổng số glucose tiêu thụ tăng lên nhiều lần dưới điều kiện kị khí Những nghiên cứu sau đó ở cơ cho thấy chính sự khác nhau lớn về tốc độ của quá trình đường phân

dưới điều kiện kị khí và hiếu khí là cơ sở hóa sinh của “hiệu ứng Pasteus”

Sự tạo thành ATP từ quá trình đường phân dưới điều kiện kị khí (2ATP với một phân

tử glucose) là nhỏ hơn nhiều khi oxy hóa phân tử glucose đến CO2 dưới điều kiện hiếu khí (38

hoặc 39 ATP cho một phân tử glucose) Như vậy, khoảng 19 lần glucose nhiều hơn bị tiêu thụ

ở điều kiện kỵ khí so với hiếu khí để tạo thành cùng lượng ATP

Sự biến đổi liên tục của glucose qua con đường đường phân được điều hoà để thực hiện

hằng số mức độ ATP (đáp ứng yêu cầu của các hợp chất trung gian của đường phân phục vụvai trò sinh tổng hợp) Sự yêu cầu điều chỉnh tốc độ quá trình đường phân được thực hiện bởi

sự điều hoà của 2 enzyme đường phân: phosphofructokinase-1 và pyruvate kinase Cả 2 enzyme được điều hoà allosteric giao động từng giây trong sự cân bằng của tế bào giữa sự tạo thành và sự tiêu thụ ATP

Glucose + 2ATP + 2NAD + 4ADP+ 2Pi → 2pyruvate + 2ADP + 2H+ + 4ATP + 2H2O Nếu cân bằng 2 phía, chúng ta nhận được cân bằng tổng thể đối với quá trình đường phân dưới các điều kiện hiếu khí

Glucose + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi → 2 pyruvate + 2NADH2 + 2H+ + 2ATP + 2H2O

Tr ường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật ……… 165

Hai phân tử NADH2 tạo thành bởi quá trình đường phân trong tế bào là điều kiện hiếu khí tái oxy hóa thành NAD+ bởi sự chuyển điện tử của chúng đến chuỗi hô hấp, mà trong các

tế bào nhân chuẩn là ở ty thể Ở đây các điện tử cuối cùng được chuyển đến O2

2NADH2 + 2H+ +O2→ 2NAD+ + 2H2O Điện tử chuyền từ NADH2đến O2 trong ty thể cung cấp năng lượng cho tổng hợp ATP bởi sự phosphoryl hóa trongchuỗi hô hấp

Tổng thể của quá trình một phân tử glucose tạo thành 2 phân tử pyruvate (con đường carbon) Hai phân tử ADP và 2Pi được biến đổi thành 2 phân tử ATP (con đường các nhóm phosphate) 4điện tử (2 ion hydride) được chuyển từ 2 phân tử glyceraldehydeyt-3- phosphate đến 2NAD+

(con đường điện tử)

4.2.5 Bi ến đổi pyruvate dưới điều kiện kị khí và hiếu khí

Pyruvate là sản phẩm của quá trình đường phân, nó đóng vai trò quan trọng trong sự dịhóa saccharide Dưới điều kiện hiếu khí, pyruvate bị oxy hóa thành acetate, nó đi vào chu trình acid citric và bị oxy hóa thành CO2 và nước NADH2được tạo thành bởi sự loại hydro

của glyceral dehyde-3-phosphate, được tái oxy hóa thành NAD+

bởi chuyển điện tử của nó đến O2 trong quá trình hô hấp của ty thể

Tuy nhiên, dưới các điều kiện yếm khí (ví dụ như cơ, xương hoạt động nhiều, hay các

thực vật ngập dưới nước hoặc các vi khuẩn lên men lactic, NADH được tạo ra bởi quá trình đường phân không thể là tái oxy hóa bởi O2 Sự thiếu hụt tái tạo NAD+

có thể làm cho tế bào không có chất nhận điện tử oxy hóa glyceraldehyde-3-phosphate và các phản ứng khác Các tế bào sớm nhất trong sự phát triển của sự sống trong không khí hầu như không có oxy và có các chiến lược phát triển xảy ra ngoài quá trình đường phân dưới các điều kiện hiếu khí Tốt nhất là duy trì được khả năng NAD+

tái tạo liên tục suốt quá trình kị khí bởi chuyển các điện tử từ NADH2 đến sản phẩm khử cuối cùng như lactate hoặc alcohol

Pyruvate là ch ất nhận điện tử cuối cùng trong sự lên men acid lactic

Khi các mô động vật không được cung cấp đầy đủ oxy để oxy hóa hiếu khí pyruvate

và NADH2được tạo thành trong quá trình đường phân, NAD+

sẽ được tái tạo lại từ NADH2bởi sự khử của pyruvate thành lactate Trong những mô khác nhau và các loại tế bào (võng

mạc, não, hồng cầu) cũng tạo ra lactate từ glucose dưới các điều kiện hiếu khí; lactate là sản phẩm chính của sự trao đổi chất trong hồng cầu Sự khử pyruvate được xúc tác bởi lactac dehydrogenase tạo thành L-izomer của acid lactic (latate ở pH7) (hình 6.20)

Nói chung sự cân bằng của phản ứng này thiên nhiều về sự tạo thành lactate bởi sự thay đổi năng lượng tự do chuẩn âm tính lớn

Trong quá trình đường phân, sự dehydrogen hóa của 2 phân tử glyceraldehyde-3- phosphate từ một phân tử glucose tạo thành 2 phân tử NADH2 NADH2được dùng để khử 2 phân tử pyruvate thành 2 phân tử lactate và 2 phân tử NAD+

NADH2+ không đưa cặp Proton vào chuỗi hô hấp

Mặc dù có 2 bước oxy hóa khử biến đổi glucose thành lactate, không có sự thay đổi giá

trị trong bước oxy hóa của carbon: trong glucose (C6H12O6) và acid lactic (C3H6O3), tỷ lệ H:

C là như nhau Tuy nhiên, một số năng lượng của phân tử glucose được tách ra bởi sự biến đổi của nó thành lactate, đủ cho sự tạo thành 2 phân tử ATP Lactate được tạo thành bởi các

cơ hoạt động của các động vật có xương sống có thể tái tạo lại, nó chuyển ra trong máu rồi đến gan, ở đây nó được biến đổi thành glucose Bản chất của hiện tượng này như sau: ở những

vận động viên chạy nước rút, oxy không cung cấp đủ cho tế bào để oxy hóa pyruvate để tạo thành ATP, mô cơ lúc đó phải sử dụng glycogen dự trữ như là nhiên liệu để tạo thành ATP

bởi sự đường phân, với lactate như là sản phẩm cuối cùng Vận động viên chạy nước rút, lactate ở trong máu có nồng độ rất cao, nó biến đổi chậm chạp trở lại glucose Vào thời gian nghỉ, oxy lại được cung cấp đủ cho quá trình oxy hóa hoàn toàn tạo đủ ATP để tái tạo lại glucose và glycogen ở gan từ lactate để hoàn trả lại glycogen đã “mượn” trước đó Chu trình

biến đổi glucose thành lactate và từ lactate về lại glucose ở gan được gọi là chu trình Cori mang tên vợ chồng nhà bác học Carl và Gerty Cori đã nghiên cứu quá trình này vào những

năm 1930 và 1940

Nhiều vi sinh vật lên men glucose và các hexose khác tạo thành lactate Ví dụlactobacilli và streptococci lên men lactose trong sữa thành acid lactic Sự phân ly acid lactic thành lactate và H+ trong hỗn hợp lên men pH thấp đã loại casein và các protein sữa khác và

Hình 6.20.S ự khử pyruvat thành lactat

Tr ường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật ……… 167

xảy ra sự kết tủa Dưới các điều kiện thích hợp, nó đóng cục thành fomat hoặc sữa chua, phụthuộc vào vi sinh vật có liên quan

4.2.6 Quá trình đường phân có thể tóm tắt bằng 11 phản ứng sau:

1/ Hoạt hoá glucose 2/ Đồng phân hoá

3/ Hoạt hoá Fructose 6-P 4 và 5/ Tác dụng của Aldose và đồng phân hoá

6/ Dồn liên kết

7/ Phosphoryl hoá 8/ Đồng phân hoá

9/ Dồn liên kết (loại nước) 10/ Phosphoryl hoá

11/ Khử tạo lactat

4.2.7 ý ngh ĩa của quá trình đường phân:

Ý ngh ĩa về năng lượng: quá trình đường phân diễn ra trong mô bào động vật trong

điều kiện mô bào thiếu oxy do máu cung cấp không đầy đủ Trong quá trình này phân tửglucose bị phân giải thành 2 phân tử acid lactic và tế bào thu được 2ATP tương đương 20kcal Khi oxy hoá hoàn toàn thì một phân tử glucose cho 686 kcal, như vậy hiệu suất của quá trình đường phân là rất thấp (≈ 3%) Do đó acid lactic hay nói chung là các sản phẩm của quá trình lên men là còn chứa rất nhiều năng lượng Trong thực tế khi động vật hoạt động đòi hỏi rất nhiều năng lượng mà điều kiện yếm khí lại tăng lên, cho nên quá trình đường phân xảy ra rất

mạnh và một số lượng rất lớn phân tử glucose bị vỡ thành acid lactic Do đó những mô bào,

bắp thịt hoạt động trong điều kiện yếm khí lâu, acid lactic sinh ra nhiều, bị ứ đọng gây rối

loạn trao đổi chất cục bộ ở đó, làm thay đổi pH của mô bào ảnh hưởng tới trạng thái keo của protein, đây là nguyên nhân gây nên trạng thái mỏi mệt

Tr ường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật ……… 169

Ý ngh ĩa về sinh tổng hợp: Quá trình đường phân ngoài việc khai thác năng lượng, nó

còn tạo ra nguyên liệu để tổng hợp lipid đó là phospho glyceral và acetyl coenzymeA:

Acid pyruvic - > Acetyl coenzymeA, đây là nguyên liệu để tổng hợp acid béo

4.2.8 Acid lactic và vòng Cori

Acid lactic bị ứ đọng ở mô bào là nguyên nhân gây ra sự mỏi mệt của cơ thể vì khi ứđọng nó gây ảnh hưởng tới trạng thái keo của cơ, cho nên trong cơ thể có một cơ chế để giải thoát sự ứ đọng acid lactic Khi cơ thể nghỉ ngơi, máu được lưu thông bình thường thì acid lactic ứ đọng từ các mô bào sẽ chuyển ra máu, từ máu chuyển về gan, thấm vào các tế bào gan, ở đây có một hệ thống enzyme gần giống như hệ thống enzyme đi ngược lại quá trình đường phân tổng hợp từ acid lactic thành glucose và từ glucose này có thể lại thành glycogen

rồi lại thành glucose để đưa vào máu chở tới các mô bào Đó là con đường giải thoát acid lactic ứ đọng ở mô bào và tiết kiệm được nguồn glucid của cơ thể Acid lactic không bị đào

thải ra ngoài như các chất độc khác Quá trình đó được biểu diễn bằng vòng Cori (hình 6.21.)

4.3 Quá trình lên men r ượu ethylic

Quá trình lên men rượu ethylic do tế bào saccharomyces cerevisiae thực hiện Khi glucose được đưa vào tế bào thì hệ thống enzyme phân giải glucose của nó hoạt động và tạo

ra ATP cho tế bào còn sản phẩm cuối cùng là rượu ethylic được tống ra ngoài môi trường

Nấm men và một số vi sinh vật khác lên men glucose thành rượu ethylic và CO2 Glucose được biến đổi thành pyruvate giống như quá trình đường phân và pyruvate được biến đổi thành rượu ethylic và CO2 Quá trình gồm 2 bước

Bước thứ nhất, pyruvate bị khử carboxyl, được xúc tác bởi pyruvate decarboxylase Pyruvate decarboxylase đòi hỏi Mg2+ và có sự liên kết với coenzyme thiamin pyrophosphate (TPP)

Bước thứ 2, acetaldehyde được khử thành ethanol với NADH2 nhận được từdehydrogenase hóa glyceraldehyde3-phosphate qua hoạt động của alcohol dehydrogenase Ethanol và CO2, thay cho lactate, vì vậy chúng là sản phẩm cuối cùng của sự lên men rượu (hình 6.22) Tổng quan sự cân bằng của sự lên men là:

Glucose + 2 ADP + 2 Pi → 2 ethanol + 2 CO2 + 2 ATP + 2 H2O

Trong sự lên men rượu ethylic không có sự thay đổi có giá trị về tỷ lệ nguyên tử hydro

với carbon khi glucose được lên men (tỷ lệ H: C = 12/6 =2) thành 2 ethanol và 2 CO2 (tỷ lệ

Hình 6.22 S ự tạo thành

r ượu ethylic

Tr ường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật ……… 171

H=C kết hợp =12/6=2) Như vậy trong quá trình lên men, tỷ lệ H: C của các chất tham gia

phản ứng hóa học và các sản phẩm giữ nguyên như nhau

Pyruvate decarboxylase có trong nấm men bia và bánh mì và trong tất cả các cơ thểkhác nhau, nó làm tăng sự lên men alcohol, chúng cũng có trong một số thực vật CO2được

tạo thành bởi sự decarboxyl hóa pyruvate trong nấm men bia đảm bảo đặc tính bão hoà carbonate của champagne Sự nở của bánh mì khi nướng là do CO2 có liên quan đến pyruvate decarboxylase khi trộn nấm men với đường Enzyme này không có mặt trong các mô động vật

có xương sống và một số cơ thể khác như vi khuẩn lên men lactic

Alcohol dehydrogenase có trong nhiều cơ thể kể cả ở người

4.4 S ự lên men vi sinh vật tạo các sản phẩm có giá trị thương mại

Lactate và ethanol là các sản phẩm phổ biến của sự lên men vi sinh vật, ngoài ra còn có những sản phẩm lên men khác cũng được tạo ra Năm 1910 Chaim Waizann (sau này trởthành tổng thống đầu tiên của Israel) đã phát hiện ra vi khuẩn Clostridium acetobutylicum lên men tinh bột thành butanol và acetone Phát hiện này đã mở ra lĩnh vực lên men công nghiệp, trong đó các nguyên liệu giàu polysaccharide (thí dụ tinh bột ngô hoặc rỉ đường) được sửdụng để nuôi cấy các vi sinh vật đặc biệt cho sự lên men chúng thành các sản phẩm có giá trị

lớn: các acid formic, acetic, propionic,bytyric và succinic, glycerol, isopropanol, butanol và butanediol

4.5 Các monosaccharide khác có th ể đi vào con đường đường phân

Trong hầu hết các cơ thể, các hexose khác cũng có thể đi vào đường phân sau khi được phosphoryl hóa

D- Fructoseở dạng tự do có nhiều trong quả và được tạo thành khi thuỷ phân sacarose trong ruột non có thể phosphryl hóa bởi hexokinase Hexokinase này hoạt động trên nhiều hexose khác nhau

Fructose + ATP ⎯⎯ →Mg⎯2+

fructose -6-phosphate + ADP

Hình 6.23 S ự chuyển hoá Fructose-1-phosphate

Trong cơ và thận của động vật có xương sống, con đường này là chủ yếu Tuy nhiên, trong gan fructose lại đi vào quá trình đường phân bằng một con đường khác Enzyme fructokinase của gan xúc tác sự phosphoryl hoá ở C1 chứ không phải ở C6

Fructose-1-phosphate sau đó bị cắt để tạo thành glyceraldehyde và dihydroxyacetone phosphate bởi fructose-1-phosphate aldolase (hình 6.23)

Dihydroxyacetone phosphate được biến đổi thành glyceraldehyde-3-phosphate bởi enzyme đồng phân triose phosphate isomerase Glyceraldehyde được phosphoryl hóa bởi ATP và triose kinase thành glyceraldehyde-3-phosphate:

Galactose + ATP → Galactose-1-phosphate + ADP

Galactose-1-phosphate sau đó được biến đổi thành epimer của nó ở C-4 thành 1-phosphate bởi một loạt phản ứng trong đó có sự tham gia của uridine diphosphate (UDP)

glucose-như là chất mang tương tự coenzyme (coenzyme like) của các nhóm hexose (hình 6.24)

Có một số bệnh di truyền ở người, trong đó sự trao đổi galactose bị ảnh hưởng Trong phần lớn dạng chung của galactosemia, enzyme galactose 1-phosphate uridinetransferase (hình 6.24) bị khiếm khuyết di truyền, ngăn trở sự biến đổi galactose thành glucose Những

dạng khác nhau của galactosemia khi galactokinase của chúng hoặc UDP –glucose –4- epimerase bị khiếm khuyết di truyền

D-Mannose tăng lên khi phân giải nhiều polysaccharide và glucoprotein có trong thực phẩm có thể bị phosphoryl hóa ở C-6 bởi hexokinase:

Mannose + ATP ⎯⎯ →Mg⎯2 +

Mannose -6-phosphate + ADP Mannose –6-phosphate sau đó được đồng phân hóa bởi hoạt động của phosphomannose isomerase tạo thành fructose-6-phosphate, chất trung gian của quá trình đường phân

Tr ường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật ……… 173

UDP-glucose UDP-galactose sau đó được biến đổi bởi

UDP-glucose-4-epimerase thành UDP-glucose UDP-