CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA CARBOHYDRATE

Carbon: Tất cả các phân tử sinh học đều chứa CCông thức tổng quát: (CH2O)n chứa các nguyên tố C, H và O theo tỷ lệ 1:2:1Là nguồn carbon và năng lượng của tế bàoChứa một nhóm aldehyde (CHO) hoặc keton (C=O)Hai hay nhiều nhóm hydroxy (OH)Phân loại dựa vào số lượng carbon, và bản chất của nhóm carbonyl

Chương 1

CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG

CỦA CARBOHYDRATE

1.1 CÁC MONOMER CỦA POLYSACCHARIDE

 Carbon: Tất cả các phân tử sinh học đều chứa C

 Công thức tổng quát: (CH2O)n chứa các nguyên tố

C, H và O theo tỷ lệ 1:2:1

 Là nguồn carbon và năng lượng của tế bào

1.1.1 CẤU TRÚC MONOSACCHARIDE

 Chứa một nhóm aldehyde (-CHO) hoặc keton (C=O)

 Hai hay nhiều nhóm hydroxy (-OH)

 Phân loại dựa vào số lượng carbon, và bản chất

của nhóm carbonyl

Monosaccharide đơn giản nhất là triose: glyceraldehyd

(aldose) và dihydroxyacetone (ketose)

Glyceraldehyd (aldo triose) Dihidroxyacetone (keto triose)

Đặc điểm của đường đơn: Có một carbon liên kết với oxygen

bằng liên kết đôi (carbonyl), các carbon còn lại, mỗi carbon

liên kết với một nhóm -OH

Đồng phân hóa học

Sườn carbon thường từ 3 đến 7 carbon, một vài đường đơn phổ biến sau:

Loại đường Số carbon Ví dụ

Triose 3 Glyceraldehyde

Pentose 5 Ribose

Hexose 6 Glucose

Glyceraldehyde có một carbon bất xứng (ký hiệu C*), có hai đồng phân dạng D và L

Công thức lập thể Fischer (Cầu oxy)

Số đồng phân lập thể: X = 2n (n là số C*)

Đánh số thứ tự nguyên tử C trong phân tử monosaccharide bắt đầu từ nguyên tử C của nhóm C=O, hoặc C ở đầu gần với

nhóm C=O của các ketose

1 2 3 4 5 6

1 2 3 4 5 6 D- Glucose D- Fructose

Sự sắp xếp không gian xung quanh sườn carbon rất đa dạng, ví dụ glucose và galactose là hai đồng phân

Đồng phân epimer

Cấu trúc vòng của monosaccharide (công thức Haworth)

Nhóm carbonyl hình thành liên kết cộng hóa trị với oxy của một nhóm hydroxyl dọc theo chuỗi carbon

Phản ứng giữa –OH và –CHO (hoặc C=O) tạo nên dẫn xuất hemiacetal hoặc hemiketal → chứa C bất xứng

H OH

CH2OH

1 2 3 4 5 6

O

H HO

CH2OH

1 2 3 4 5 6

O

CH2OH

1 2 3 4 5 6

O

H OH HO H

CH2OH

1 2 3 4 5 6

O

H

H OH O

OH

H HO H

HOCH

CH2OH CH2OH

H

OH H

H H HO

H H OH

O

CH2OH

OH

H OH

H H HO

H H OH

C C C C

OH

OH HO

H

H

H H

OH

CH2OH C

H O

Một số đường aldose phổ biến

5 Carbon

6 Carbon

Một số dạng đường ketose phổ biến

4 Carbon

3 Carbon

Sinh vật chứa nhiều dẫn xuất của đường hexose

 Một nhóm hydroxyl được thay bằng nhóm khác

 Một nguyên tử C bị oxy hóa thành nhóm carboxyl

Dẫn xuất của monosaccharide

Glucosamine: -OH ở C-2 được thay thế bằng nhóm amin, nhóm amin thường liên kết với acid acetic → N-acetylglucosamine là thành phần cấu trúc của vỏ tế bào vi khuẩn

N-acetylmuramic acid trong đó acid lactic hình thành liên kết ether với oxy ở C-3 của N-

acetylglucosamine

Nhóm –OH ở C-6 của L-galactose hoặc L-mannose được thay thế bằng nhóm –CH3 tạo L-fucose hoặc L-rhamnose, những đường dehydro này được tìm thấy trong polysaccharides và trong glycoproteins và glycolipids.

Sự oxy hóa carbon carbonyl (aldehyde) ở glucose tạo

thành gluconic acid, những đường aldose khác tạo aldonic acid tương ứng khác

Sự oxy hóa ở carbon khác của chuỗi carbon (C-6) của

glucose, galactose, mannose tạo thành các uronic acid: glucuronic, galacturonic, mannuronic acid Aldonic acid và uronic acid tạo thành chất trung gian ổn định gọi là lactone

1.1.2 Tính chất chung của các monosaccharide

1.1.2.1 Monosaccharide là một chất khử

Monosaccharide có thể bị oxy hóa bởi các chất oxy hóa như

Fe3+ hoặc Cu2+ Carbon của nhóm carbonyl bị oxy hóa thành nhóm carboxyl Glucose và những đường khác có khả

năng khử ion sắt hoặc đồng được gọi là đường khử

 Khi oxy hóa bằng HNO3 đặc, cả hai nhóm chức –CHO và –OH bậc 2 của monosaccharide đều bị oxy hóa tạo thành acid có chứa hai nhóm carboxyl gọi là acid saccharic.

D-Glucose Acid Glucaric (Acid Saccharide)

1.1.2.2 Monosaccharide là một chất oxy

hóa

Dưới tác dụng của các chất khử, nhóm carbonyl của

monosaccharide bị khử tạo thành các polyhydroxy alcohol tương ứng, với tên gọi có đuôi “-itol” thêm vào tên của

aldose ban đầu

 Trong cơ thể sinh vật dưới tác dụng của enzyme, glucose

bị khử tạo thành polyol vòng gọi là myo-inositol

P P

Ester phosphoric của myo-inositol (Fitin) là nguồn dự trữ

phospho trong hạt

 Phản ứng tạo ester thường xảy ra với nhóm alcohol bậc 1

và –OH glucoside của monosaccharide Quan trọng nhất là phản ứng tạo thành ester phosphate của monosaccharide

là những sản phẩm trung gian của nhiều quá trình trao đổi chất trong cơ thể

 Nhóm hydroxyl glycoside có thể phản ứng với rượu khan

tạo thành ether tương ứng gọi là glycoside Các glycoside tạo thành có thể là α- glycoside hoặc β-glycoside

H

H OH

OH

CH2OH H

OCH3

H OH

H

H OH

H

D-Glucose CH3OH

HCl

α-Methyl-D-Glucose β-Methyl-D-Glucose

 Trong phân tử glycoside, phần không phải là saccharide gọi là aglycone Liên kết saccharide và aglycone gọi là liên kết glycoside.

 Liên kết glycoside cũng được tạo thành giữa các

monosaccharide để tạo nên các di-, oligo-, polysaccharide

1.1.2.4 Phản ứng của nhóm glycoside

 -O-glycoside: Gốc aglycone (A) kết hợp với saccharide (X) qua O

 -S-glycoside: Gốc aglycone được kết hợp qua S

 -N-glycoside: Gốc aglycone được kết hợp qua N

 -C-glycoside: Carbon của aglycone kết hợp với C của saccharide

Phân biệt các kiểu liên kết glycoside khác nhau

 Đun sôi pentose, hexose với acid nồng độ cao, các

monosacchride này loại đi 3 phân tử H2O tạo thành furfurol, oxymethylfurfurol

 Các sản phẩm này ngưng tụ với các hợp chất phenol tạo thành hợp chất màu đặc trưng, các phản ứng này thường được sử dụng để định tính, định lượng các

monosaccharide

1.1.2.5 Phản ứng với acid

 Trong những điều kiện xác định, 1 phân tử saccharide có thể phản ứng với 3 phân tử phenylhydrazine tạo thành tinh thể osazone.

1.1.2.6 Phản ứng với phenylhydrazine

1.2 OLIGOSACCHARIDE

 2-10 monosaccharide

 Monosaccharide liên kết bằng liên kết O-glycoside

1.2.1 Disaccharide

 Công thức tổng quát C12H22O11

 Monosaccharide liên kết bằng liên kết O-glycoside

 Disaccharide có thể có tính khử hoặc không

 Phổ biến Lactose, Maltose α(1→4), Isomaltose α(1→6) isomer, Cellobiose β (1→4) isomer

Kiểu liên kết glycoside trong disaccharide

Kiểu 1: Liên kết giữa 2 nhóm –OH hemiacetal, loại bỏ 1

phân tử nước Disaccharide trong trường hợp này không còn –OH hemiacetal tự do nên không còn tính khử (non reducing end)

Non reducing end

Kiểu liên kết glycoside trong disaccharide

Kiểu 2: Liên kết giữa 1 nhóm –OH hemiacetal của một

monosacchride này với 1 nhóm –OH nào đó (không phải hemiacetal) của monosaccharide khác, kết quả tạo một disaccharide vẫn còn tính chất khử (reducing end)

Reducing end

− Maltose (đường mạch nha), được cấu tạo từ 2 phân tử α-D- Glucose

− Maltose vẫn có chứa một nhóm –OH tự do nên vẫn còn tính khử

− Maltose bị thủy phân bởi maltase, hoặc acid ở nhiệt độ cao tạo thành 2 gốc α-D-Glucose

− Lactose được cấu tạo từ 1 phân tử β-D- Galactose và D-Glucose

α-− Lactose vẫn có chứa một nhóm –OH tự do nên vẫn còn tính khử

 Lactose: Gal-β-1,4-Glc; chỉ hiện diện ở sữa, bị thủy phân bởi lactase

 Sucrose: Glc-α-1,2-Fru; được thực vật xanh tổng hợp; enzyme thủy phân là sucrase

 Maltose: Glc-α-1,4-Glc; sản phẩm thủy phân bởi tinh bột bởi amylase

 Cellobiose: Glc-β-1,4-Glc; có nguồn gốc từ cellulose

Các loại disaccharid phổ biến

Maltose Glucose + Glucose Lên men rượu

Lactose Glucose + Galactose Hiện diện trong sữa Sucrose Glucose + Fructose do thực vật tổng hợp

1.2.2 Trisaccharide

− Là oligosaccharide có chứa 3 gốc monosaccharide

− Trisaccharide phổ biến là raffinose, raffinose được cấu tạo

từ 3 monosaccharide là galactose, glucose, fructose

− Raffinose không có tính khử

1.2.2 Tetrasaccharide

− Là oligosaccharide có chứa 4 gốc monosaccharide

− Tetrasaccharide phổ biến là stachyose, stachyose được cấu tạo từ 4 monosaccharide là 2 gốc galactose, 1 gốc α-D-Glucose, 1 gốc β-D-fructose

− Stachyose không có tính khử

Polysacchride là polymer của các monosaccharide,

có từ 10-15 gốc monosaccharide, liên kết với nhau bằng liên kết glycoside

Chuỗi phân nhánh hoặc không phân nhánh dạng sợi hay hạt

1.3 Cấu trúc và chức năng của polysaccharide

Hai loại polysaccharide: Đồng thể và dị thể

Phân loại polysaccharide theo số loại monosaccharide

1.3.1 Polysaccharide đồng thể (homopolysaccharide)

 Gồm một loại monomer

 Tên gọi dựa theo tên gọi của monomer nhưng đổi –ose

thành –an

 Polysaccharide đồng thể có vai trò dự trữ (tinh bột,

glycogen) hay cấu trúc (cellulose, chitin)

Tinh bột

 Amylose: Do các α -D-glucose liên kết nhau bằng cầu nối α

(1→4) glycoside tạo thành sợi không chia nhánh.

 Amylopectin: Do các glucose liên kết nhau bằng cầu nối α

(1→4) glycosidic và α (1→6) glycosidic tạo thành sợi chia nhánh

 10- 30% amylose và 70- 90% là amylopectin

 Mỗi nhánh ở amylopectin là 12-30 phân tử đường glucose

 Tinh bột được dự trữ ở tế bào thực vật

 Tế bào động vật có enzyme thủy phân tinh bột

Amylopectin

 Glycogen

 Do các glucose kết nhau bằng cầu nối α (1→4) glycosidic

và α (1→6) glycosidic tạo thành sợi chia nhánh

 Được dự trữ ở cơ và gan của tế bào động vật

Tinh bột

Glycogen

 Dextran

 Do các glucose kết nhau bằng cầu nối α(1→6) glycoside

và các nhánh với liên kết α(1→3) glycoside và đôi khi

α(1→2) và cả α(1→4) glycoside, khối lượng phân tử có thể đến vài triệu

 Dextran là polysaccharide của vi khuẩn, nấm men…

 Ứng dụng của dextran:

 Dextran tổng hợp không tan, có các liên kết chéo (sephadex) → lỗ

→ tách riêng các phân tử protein

Your site here

Cellulose kết thành sợi ở vỏ tế bào

Cấu trúc ba chiều của các polysacchride

Chuỗi polysaccharide bao gồm các vòng pyranose có thể cuộn lại nhờ các tương tác yếu như liên kết hydro do trong chuỗi còn nhiều gốc –OH tự do, tương tác kỵ nước, tương tác van der Waals và cả tương tác tĩnh điện nếu

polysaccharide có tích điện

Sự thủy phân liên kết glycoside trong polysaccharide

Glycogen và tinh bột được động vật tiêu hóa do enzyme αamylase được tuyến nước bọt và ruột tiết ra cắt liên kết α-1,4 glycoside giữa hai glucose

-Đa số động vật không thể tiêu hóa cellulose vì thiếu enzyme thủy phân liên kết β-1,4 glycoside giữa hai glucose

Một số động vật có vi sinh vật Trichonympha cộng sinh tiết

cellulase, thủy phân liên kết β-1,4 Một số nấm và vi khuẩn cũng có thể tạo enzyme này

1.3.2 Polysaccharide dị thể (heteropolysaccharide)

Thường có trong chất nền (matrix) tế bào thực vật, vi khuẩn, tảo, trong gian bào (extracellulose space) của các mô liên kết , đặc biệt là sụn, gân, dây chằng

Chất nền ngoại bào (extracellulose matrix, ECM) có tính chất như “gel”, là hệ thống chằng chịt các heteropolysaccharide và các protein hình sợi, choán đầy khoảng không gian ngoại bào

ở các mô động vật, giúp các tế bào gắn kết với nhau, là môi trường để O2 và các chất dinh dưỡng để đi vào mỗi tế bào

Một số heteropolysaccharide phổ biến có vai trò quan trọng trong thực vật là agar, hemicellulose, pectin, và ở động vật là

các glucosaminoglycan.

1.3.2.1 Agar - Agarose

Là polymer bao gồm 600-700 đơn vị cấu trúc lập lại

(repeating unit, RU) kết hợp với nhau qua liên kết α(1→3) glycoside

Mỗi RU bao gồm D-Galactose kết hợp với 3,6

anhydro−α−L−Galactose

Một loại tảo đỏ vách tế bào chứa agar được cấu tạo từ

sulfated heteropolysaccharide của D-galactose với một dẫn xuất của L-galactose bằng liên kết ether giữa C-3 và C-6

Vách tế bào vi khuẩn và tảo cấu tạo từ polysaccharide dị thể

Thành phần của vỏ tế bào vi khuẩn gồm N-acetylglucosamine

và N-acetylmuramic acid liên kết nhau bằng liên kết β (1-4)

Các sợi polymer nằm cạnh nhau liên kết nhau bằng sợi peptide ngắn: giúp các sợi polysaccharide ở dạng

phiến và ngăn cản sự teo bào và vở tế bào do sự thẩm thấu của nước

Enzyme lysozyme giết vi khuẩn do thủy phân liên kết β (1-4) glycoside giữa N-acetylglucosamine và N-acetylmuramic acid

Penicillin và các kháng sinh liên quan giết vi khuẩn do ngăn cản quá trình tổng hợp các polypeptid, nên vỏ tế bào yếu đối với quá trình thẩm thấu

Glycosaminoglycan là một polysaccharide dị thể của chất ngoại bào

 Chất ngoại bào gồm polysaccharide dị thể và các protein dạng sợi như collagen, elastin, fibronectin và laminin

 Polysaccharide là glycosaminoglycan là một polymer do sự lập lại của hai đơn vị disaccharide

 Một monosaccharide luôn luôn là acetylglucosamine hoặc acetylgalactosamine

N- Monosaccharide còn lại phần lớn là một trong các uronic acid như D-glucoronic acid hoặc L-iduronic acid

 Một hoặc nhiều nhóm –OH của đường amino được ester hóa với sulfate

 Sự kết hợp của nhóm sulfate và carboxyl của uronic acid làm cho glycosaminoglycan có tỷ trọng cao và tích điện âm

 Sự chuyên biệt của đường được sulfate hóa hoặc không trong glycosaminoglycan dẫn đến sự nhận diện chuyên

biệt của nhiều loại protein phối tử (ligand)

 Glycosaminoglycan gắn với protein ngoại bào để thành lập proteoglycans

Your site here

Hyaluronidase là enzyme do m t s vi khu n gây ộ ố ẩ

b nh ti t ra có th th y phân liên k t glycosidic c a ệ ế ể ủ ế ủ hyaluronate mô d b vi khu n xâm nhi m → ễ ị ẩ ễ

Nhi u sinh v t có enzyme t ề ậ ươ ng t trong tinh trùng ự

th y phân l p glycosaminoglycan c a t bào tr ng ủ ớ ủ ế ứ giúp tinh trùng xâm nh p d dàng ậ ễ

Chondroitin sulfate

Tạo sức căng cho dây chằng, sụn, gân và thành động mạch

Dermatan sulfate tạo nên tính dẻo của da, hiện diện trong

mạch máu và van tim Nhiều glucuronate (GlcA) hiện diện

trong chondroitin sulfate được thay thế bởi các epimer của nó như iduronate (IdoA)

Keratan sulfate

Không có uronic acid

Keratan sulfate hiện diện trong giác mạc, gân, xương và những cấu trúc sừng như sừng, tóc, móng, vuốt

 Là một chất chống đông máu tự nhiên do tế bào mast tiết

và phóng thích vào trong máu

 Heparin liên kết với protein antithrombin và ức chế sự đông máu

Proteoglycan, Glycoprotein, và Glycolipid

Tóm tắt một số vai trò quan trọng của carbohydrate

 Dự trữ: tinh bột, glycogen, dextran

 Cấu trúc: cellulose, chitin, peptidoglycans

 Chất mang thông tin: polysaccharide và oligosaccharide

 Như nhãn cho một số protein chuyên chở

 Chất trung gian (mediator) trong sự tương tác giữa các tế bào chuyên biệt, giữa tế bào và chất ngoại bào

 Những phân tử chứa carbohydrate chuyên biệt hoạt động trong sự

nhận diện tế bào, sự kết dính tế bào trong suốt quá trình phát triển,

đông máu, đáp ứng miễn dịch…

 Phần lớn carbohydrate có chức năng thông tin, liên kết cộng hóa trị với

lipid hoặc protein tạo glycoconjugate

 Đại phân tử của bề mặt tế bào hoặc chất ngoại bào

 Một hoặc nhiều sợi glycosaminoglycan liên kết với protein màng hoặc protein tiết bằng liên kết cộng hóa trị

 Proteoglycan là thành phần chính của mô liên kết như sụn

 Tế bào động vật có thể tạo ít nhất 30 phân tử thuộc họ proteoglycan

 Proteoglycan ảnh hưởng đến sự phát triển của các mô

chuyên hóa, liên quan đến nhiều yếu tố tăng trưởng, điều hòa các yếu tố của chất ngoại bào

Cấu trúc cơ bản của một proteoglycan

Your site here

Glycosaminoglycan Cầu nối triglyceride

Một proteoglycan gồm một “lõi protein” liên kết cộng hóa trị với glycosaminoglycan

 Nhiều proteoglycan được tiết vào bên trong chất ngoại

bào, một số khác có protein hội nhập với màng

 Ví dụ: syndecan là lõi protein (Mr 56.000), có một domain xuyên màng và một domain bên ngoài tế bào

 Domain bên ngoài tế bào mang 3 sợi heparan sulfate và hai sợi chondroitin sulfate, mỗi sợi gắn với một gốc serin

 Heparan sulfate trong proteoglycan

g n v i nhi u lo i ligand bên ngoài ắ ớ ề ạ

t bào ế → đi u ch nh s tề ỉ ự ương tác

gi a ligand v i các th th trên b ữ ớ ụ ể ề

m t t bàoặ ế