Báo cáo hóa sinh các con đường sinh tổng hợp acid amin ở vi sinh vật

Báo cáo hóa sinh các con đường sinh tổng hợp acid amin ở vi sinh vật

Các đường sinh tổng hợp acid amin vi sinh vật Nhóm MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ACID AMIN 1.1 Công thức cấu tạo 1.2 Phân loại 1.2.1 Dựa vào cấu tạo hóa học chia thành số nhóm lớn sau: 1.2.2 Dựa vào cấu trúc, acid amin chia làm nhóm lớn : 1.3 Các đường tổng hợp acid amin 1.3.1.Sinh tổng hợp acid amin phản ứng amin hóa trực tiếp 1.3.2.Sinh tổng hợp acid amin phản ứng chuyển amin 10 CHƯƠNG 2: CÁC CON ĐƯỜNG SINH TỔNG HỢP ACID AMIN Ở VI SINH VẬT 13 2.1 Từ α – ketoacid 14 2.1.1 Từ α – ketoglutarate 14 2.1.1.1 Glutamate / Glutamine 14 2.1.1.2 Proline 17 2.1.1.3 Arginine 20 2.1.2 Từ oxaloacetate 21 2.1.2.1 Aspatate/ Asparagine 21 2.1.2.2 Methionine 24 2.1.2.3 Threonine 25 2.1.2.4 Lysine 25 2.1.3 Từ pyruvat 29 2.1.3.1 Alanine 29 2.1.3.2 Valine Leusine 29 2.1.3.4 Isoleusine 32 2.2 Từ phosphoglycerate 33 2.2.1.Serine 33 2.2.2 Glycine 34 Trang Các đường sinh tổng hợp acid amin vi sinh vật Nhóm 2.2.3 Cystein 42 2.3 Các amin thơm 44 2.3.1 Tổng hợp tiền chất trung gian Chosrimate 47 2.3.2 Sinh tổng hợp Phenylalanine Tyrosine 49 2.3.3 Sinh tổng hợp Tryptophan 50 2.4 Histidine 52 CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 Trang Các đường sinh tổng hợp acid amin vi sinh vật Nhóm MỞ ĐẦU Sự sống trình trao đổi chất liên tục Quá trình trao đổi chất trình đổi thành phần thể cách thu nhận chất dinh dưỡng từ thức ăn, nước uống thể để thực trình sinh lý, sinh hóa phức tạp sau đào thải chất cặn bã ngồi Thơng qua q trình này, thể lớn lên, sinh sản để trì nịi giống cuối già cỗi chết Đó trình sinh dưỡng bình thường thể sống, có nhiều chất tham gia vào trình thành phần khơng thể thiếu protein Có thể nói protein thành phần quan trọng thể, protein có mặt nhân, nguyên sinh chất, màng tế bào, huyết tương, dịch gian bào Acid amin cấu tử protein, hay nói cách khác, acid amin viên gạch để xây nên tịa lâu đài mn hình nghìn vẻ phân tử protein Vì vai trị acid amin quan trọng, đối tượng người nghiên cứu để tổng hợp mà đặc biệt acid amin không thay Trang Các đường sinh tổng hợp acid amin vi sinh vật Nhóm CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ACID AMIN 1.1 Công thức cấu tạo Acid amin hợp chất hữu mạch thẳng mạch vòng phân tử có chứa nhóm amin (-NH2) nhóm cacboxyl (-COOH) Hiện nay, có khoảng 100 loại acid amin người tìm thấy tự nhiên hay tổng hợp Tuy nhiên số có khoảng 20 loại acid amin thể sử dụng để tổng hợp protein Trong gồm acid amin thiết yếu acid amin không thiết yếu Con người nhiều lồi động vật khác tự tổng hợp 10 loại acid amin, chúng gọi acid amin không thiết yếu (Non-essential), 10 acid amin cịn lại thể khơng tự tổng hợp mà phải hấp thụ từ thực vật động vật qua đường thức ăn, chúng gọi acid amin thiết yếu (Essential) Khi thiếu, chí acid amin cần thiết làm cho protein tổng hợp protein bị phân giải, kết cân nitơ âm Các acid amin cần thiết thể tùy thuộc vào điều kiện riêng biệt vào loài động vật, lứa tuổi…Theo nhiều tài liệu có tám acid amin cần thiết cho người lớn valine, leucine, isoleucine, methionine, treonine, phenylalanine, triptophan lysine Đối với trẻ em có thêm hai acid amin cần thiết : arginine histidine Hàm lượng acid amin không thay tỷ lệ chúng phân tử protein tiêu chuẩn quan trọng để đánh giá chất lượng protein Các acid amin thường gặp protein tự nhiên L – α acid amin có nhóm amin đính vào nguyên tử cacbon α đứng cạnh nhóm cacboxyl Trang Các đường sinh tổng hợp acid amin vi sinh vật Nhóm Bảng 1.1: Các acid amin thiết yếu không thiết yếu Nonessential Essential Alanine Arginine* Asparagine Histidine Aspartate Isoleucine Cysteine Leucine Glutamate Lysine Glutamine Methionine* Glycine Phenylalanine* Proline Threonine Serine Tyrptophane Tyrosine Valine Trang Các đường sinh tổng hợp acid amin vi sinh vật Nhóm 1.2 Phân loại 1.2.1 Dựa vào cấu tạo hóa học chia thành số nhóm lớn sau: a Nonpolar aminoacid * Glycine, Alanine, Valine, Leucine, Isoleucine * Phenylalanine, Tryptophane, Methionine * Proline, Cysteine b Polar aminoacid (neutral) * Asparagine, Glutamine, Serine * Threonine, Tyrosine c Basic amino acids * Histidine, Lysine, Arginine d Acidic amino acids * Aspartate Glutamate Trang Các đường sinh tổng hợp acid amin vi sinh vật Nhóm Hình 1.1: Phân loại acid amin dựa vào cấu tạo hóa học 1.2.2 Dựa vào cấu trúc, acid amin chia làm nhóm lớn :  Acid amin mạch thẳng (glycine, alanine, leucine, iosleucine, valine, threonine, aspartate, asparagine, glutamate, glutamine, lysine, arginine, methionine, serine, cysteine) Trang Các đường sinh tổng hợp acid amin vi sinh vật Nhóm  Amino acid vịng thơm (phenylalanine, tyrosine)  Amino acid dị vịng (tryptophan, histidine, proline) Có thể tổng hợp acid amin phương pháp hóa học, phương pháp lên men phương pháp kết hợp hóa học vi sinh vật Tuy nhiên phương pháp hóa học thường đắt không định hướng được: acid amin tổng hợp chứa hai dạng D L Phương pháp kinh tế triển vọng sinh tổng hợp tổng hợp phương pháp lên men 1.3 Các đường tổng hợp acid amin 1.3.1.Sinh tổng hợp acid amin phản ứng amin hóa trực tiếp Sự amin hóa trực tiếp acid hữu chưa no phản ứng gặp chủ yếu có thực vật vi khuẩn Các chất tiền thân để amin hóa acid fumaric, acid piruvic, acid oxaloacetic… sản phẩm trung gian vốn tạo nên chu trình Krebs Acid fumaric, tác dụng enzyme aspartat – amoniac – liza tạo nên acid aspartic: aspartatamoniacliase + NH3 Phản ứng phản ứng thuận nghịch Acid aspartic tổng hợp cách chuyển hóa acid oxalacetic acid glutamic Sự amin hóa cetoacid đường hướng chủ yếu việc tân tạo acid amin Phương trình phản ứng tổng qt biểu diễn sau: Trang Các đường sinh tổng hợp acid amin vi sinh vật Nhóm Phản ứng qua hai giai đoạn: kết hợp amoniac vào cetoacid để tạo acid imin khử acid imin thành acid amin Chẳng hạn: Hoặc như: Trang Các đường sinh tổng hợp acid amin vi sinh vật Nhóm Về nguyên tắc, amin hóa tiến hành cetoacid Tuy nhiên hoạt tính tất dehydrogenase tự nhiên acid amin, trừ glutamatdehydrogenase alanindehydrogenase khơng đáng kể Vì tổng hợp acid amin amin hóa cetoacid khơng có ý nghĩa thực tế Các acid amin: aspartic, alanine, glutamic acid amin sơ cấp Sự sinh tổng hợp phản ứng amin hóa trực tiếp gọi sinh tổng hợp sơ cấp acid amin 1.3.2.Sinh tổng hợp acid amin phản ứng chuyển amin Phản ứng chuyển amin đường hướng sinh tổng hợp acid amin vi sinh vật Phản ứng chuyển amin biểu diễn dạng tổng quát sau: R1– CH – COOH + R2 – C – COOH O NH2 acidamin + R1 – C – COOH R2 – CH – COOH O NH2 cetoacid cetoacid acidamin Phản ứng chuyển amin xúc tác enzyme aminotransferase Aminotransferase enzyme hai cấu tử có nhóm ngoại phosphopiridoxal (este phosphorid vitamin B6)  Cơ chế phản ứng sau: Đầu tiên nhóm ngoại enzyme kết hợp với nhóm amin acid amin nhóm aldehid phosphopiridoxal CH = N – CH CH = O HO CH2O P H2N – CH – R1 COOH H3C N enzyme Protein chất - H2O HO H3C CH2O N R1 COOH P Protein phức enzyme – chất Trang 10 Các đường sinh tổng hợp acid amin vi sinh vật Nhóm NH2 - OOC - OOC NH3 NH + + N H H + N ATP N O H S H + S Pi + PPi H3 C H3 C OH OH S-Adenosylmethionine (SAM) Methionine RH RCH3 + H+ NH -OOC - OOC NH 3+ NH3 + N H H N O Adenosine H 2O S H H OH OH SH Homocystein Homocystein chuyển thành methionine cách chuyển nhóm methyl từ N5-methyltetrahydrofolate tác dụng enzyme homocystein methyltransferase Trang 41 N Các đường sinh tổng hợp acid amin vi sinh vật Nhóm H H NH + H N NH + H N - OOC - OOC H H + + N H N CH SH Homocystein S HN HN H 3C N5-methyl-tetrahydrof olate methionine tetrahydrof olate 2.2.3 Cystein Homocystein sản phẩm trung gian trình sinh tổng hợp cystein Serine homocystein kết hợp với tác dụng enzyme cystathionine βsynthase tạo thành cystathionine Sau thực phản ứng khử amin cystathionine tác dụng enzyme cystathionine γ-lyase Cả hai enzyme có cofactor pyridoxal phosphate Trang 42 Các đường sinh tổng hợp acid amin vi sinh vật + H3N CH COOH2 C C SH C C H2 H + Nhóm H COO- OH NH 3+ Serine Homocystein Cystathionine beta-synthase H2O COO+ H2 C H3N C S C C H2 H C H2 cystathionine NH3 + COO- cystathionine gama-lyase H2O + H2 C H3N C H COO cystein SH + - OOC C H2 C CH O alpha-ketobutyrate Trang 43 Các đường sinh tổng hợp acid amin vi sinh vật Nhóm 2.3 Các amin thơm  Tryptophan Hình 2.8: Cấu trúc tryptophan Tên khác : 2-Amino-3-(1H-indol-3-yl)propanoic acid Công thức phân tử : C11H12N2O2 Khối lượng phân tử : 204.23 g mol−1  Phenylalanine Hình 2.9: Cấu trúc tryptophan Tên khác : 2-Amino-3-phenylpropanoic acid Công thức phân tử : C9H11NO2 Khối lượng phân tử : 165.19 g mol−1 Trang 44 Các đường sinh tổng hợp acid amin vi sinh vật Nhóm  Tyrosine Hình 2.10: Cấu trúc tyrosine Tên khác : 2-Amino-3-(4-hydroxyphenyl)propanoic acid Công thúc phân tử :C9H11NO3 Khối lượng phân tử : 181.19 g mol−1 * Cơ chế sinh tổng hợp Con đường sinh tổng hợp amino acid thơm phenylalanine, tyrosine tryptophan có chung nhiều tiền chất trung gian Trang 45 Các đường sinh tổng hợp acid amin vi sinh vật Nhóm Hình 2.11 Con đường chung tổng hợp amino acid thơm (phenylalanine, tyrosine, tryptophan) (Theo: Prescott cs, 2005) Hình 2.12 Mối liên hệ trình tổng hợp acid amin thơm vitamine E coli Trang 46 Các đường sinh tổng hợp acid amin vi sinh vật Nhóm 2.3.1 Tổng hợp tiền chất trung gian Chosrimate Hình 2.13 Con đường sinh tổng hợp Chorismate Sinh tổng hợp Chorismate xảy thực vật vi khuẩn, không xảy động vật Bước ngưng tụ phosphoenolpyruvate ( glycolytic trung gian ) với erythroe-4-phosphate ( pentose phosphate ) Kết tạo hợp chất carbon mở đầu cho chuỗi oxy hóa tiếp theo, hợp chất đường sau bị nhóm phosphoryl, thực việc đóng vịng tạo thành 3-dehydroquynate Trang 47 Các đường sinh tổng hợp acid amin vi sinh vật Nhóm Phản ứng loại phân tử nước để tạo 3-dehydroshikimate Sự khử NADPH +H+ thành NADP+ từ 3-dehydroshikimate thành shikimate Tiếp thep shikimate lấy nhóm phosphoryl từ ATP tạo thành shikimate-3-phosphate ADP Một phân tử phosphoenolpyruvate thứ hai sử dụng để ngưng tụ với shikimate-3-phosphate, kết hợp với shikimate-3-phosphate bị nhóm phosphoryl nó, tạo thành 3-enolpyruvyl-shikimate-3-phosphate tạo chorismate Đây tiền thân chung acid amin thơm Các enzyme tham gia vào phản ứng gồm: 1) 3-deoxy-D-arabino-heptulosonate 7-phosphate synthetase (DAHP synthetase ) 2) 3-dehydroquinate synthetase 3) dehydroshikimate reductase 4) shikimate kinase 5) 5-enolpyruvylshikimnate 3-phosphate synthetase 6) chorismate synthetase Trang 48 Các đường sinh tổng hợp acid amin vi sinh vật Nhóm 2.3.2 Sinh tổng hợp Phenylalanine Tyrosine Hình 2.14 Con đường sinh tổng hợp Tyrosine Phenylalanine Chorismate tự chuyển thành prephenate, tiền chất trực tiếp acid amine thơm phenylalanine tyrosine Từ chất dehydro hóa decarboxyl hóa để tạo thành phenylpyruvate theo cách khác, khử decarboxyl tạo thành -hydroxylphenylpyruvate Tại α-ketoacid thực transaminate để tạo thành phenylalanine tyrosine Các enzym tham gia phản ứng bao gồm : 1) choris-mate mutase 2) prephenate dehydratase 3) phenylalanine transaminase 4) prephenate dehydrogenase 5) tyrosine transaminase Trang 49 Các đường sinh tổng hợp acid amin vi sinh vật Nhóm Ngồi Tyrosine cịn tổng hợp từ phenylalanine nhu cầu tyrosine bị thiếu, lúc nửa lượng phenylalanine bị lấy để thực việc sản xuất tyrosine Phản ứng thực nhờ enzym phenylalanine hydroxylase, enzyem có chức hỗn hợp, nguyên tử oxy đưa vào nước, nguyên tử khác đưa vào nhóm hydroxyl tyrosnie Chất khử cofactor tetrahydrobiopterin, nhờ enzym dihydropteridine reductase , dihydrobiopterin tạo thành lại tổng hợp nên tetradrobiopterin để tiếp tục thực việc tổng hợp tyrosine Hình 2.15 Con đường tổng hợp Tyrosine từ Phenylalanine 2.3.3 Sinh tổng hợp Tryptophan Trang 50 Các đường sinh tổng hợp acid amin vi sinh vật Nhóm Hình 2.16 Con đường sinh tổng hợp Tryptophan Chorismate nhận nhóm amin từ glutamine thủy phân mạch bên, tạo thành anthranilate giải phóng pyruvate Sau anthranilate ngưng tụ với 5phosphoribosyl-1-pyrophosphate (PRPD), dạng hoạt hóa ribose phosphate PRPD chất trung gian quan trọng để tổng hợp histidine, nucleotide purine, nucleotide pyrimidine Nguyên tử C vị trí C-1 ribose 5phosphate liên kết với nguyên tử nitơ anthranilate phản ứng , giải phóng pyrophosphate Một nửa ribose phân tử phosphoribosylanthranilate chịu sếp lại để tạo thành 1-(o-carboxyphenylamino)-1-deoxyribulose 5phosphate Sau thực dehydrate decarboxylate tạo thành Trang 51 Các đường sinh tổng hợp acid amin vi sinh vật Nhóm indole-3-glycerol phosphate, thực cắt 3-glycerol phosphate indole Tiếp theo Indole phản ứng với serine để tạo thành tryptophan Trong bước cuối phản ứng xúc tác enzym synthetase tryptophan Mạch bên indole-3-glycerol phosphate lấy tạo thành glyceraldehyde 3-phosphate thay vào khung carbon serine Các enzym tham gia phản ứng gồm : 1) anrailaie synthetase 2)anthranilate-5'-phosphoribosyl-1-pyrophosphatephosphoribosyl transferase (PR transferase) 3) N-(5'-phosphoribosyl)-anthranilate isomerase 4) indoleglycerol phosphate synthetase 5) tryptophan synthetase 2.4 Histidine The synthesis of histidine is long and complex and its pathway is intertwined with nucleic acid biosynthesis (specifically purine) Đây đường tổng hợp chung cho tất vi sinh vật có khả tổng hợp histidine Đầu tiên phản ứng tách nhóm Ribose từ phosphoribosyl pyrophosphate (PRPP) chuyển sang Imadiazoleglycerol phosphate Khi liên kết imadiazole hình thành, glutamate cho nhóm amin tạo thành tiếp tục bị oxi hóa thành histidine giai đoạn cuỗi trình Nguồn lượng sử dụng trường hợp ATP (trong trường hợp này, nguyên tố phân tử ATP trờ thành thành phần acid amin pyrophosphate hình thành từ phosphoribosyl pyrophosphate Trang 52 Các đường sinh tổng hợp acid amin vi sinh vật Nhóm Hình 2.16 Sinh tổng hợp Histidine Trang 53 Các đường sinh tổng hợp acid amin vi sinh vật Nhóm CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN Ngày acid amin sử dụng rộng rãi y học, chăn nuôi công nghệ thực phẩm Trong số 20 acid amin thường gặp phân tử acid amin mà thể người động vật tự tổng hợp mà phải đưa từ vào qua thức ăn Trong đó, vi sinh vật lại có khả tổng hợp hết 20 acid amin Mặc dù sản xuất đường tổng hợp hóa học nhược điểm phương pháp sản sinh hai dạng đồng phân quang học Trái lại đường tổng hợp sinh học sản xuất L-acid amin dạng hay gặp cấu trúc protein thể sống Trang 54 Các đường sinh tổng hợp acid amin vi sinh vật Nhóm TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Văn Kiệm (chủ biên), Nguyễn Văn Kình, Nguyễn Văn Mùi, Hóa sinh động vật, BGD-ĐT Đại Học Nông Nghiệp Hà Nội, 2005 Nguyễn Đình Quyến, Nguyễn Lân Dũng, Sử dụng lượng sinh tổng hợp vi sinh vật Frank Gibson and James Pittard, Pathways of Biosynthesis ò Aromatic Amino Acids and Vitamins and Their Control in Microorganisms, Bacteriological Reviews, Dec.1968, p 465 – 492 http://www.blc.arizona.edu/courses/bioc462b/grimes/nitrogen06/aa.cfm http://www.biocarta.com/genes/catMetabolism.asp http://lecturer.ukdw.ac.id/dhira/Metabolism/aminoacids.html http://www.themedicalbiochemistrypage.org Trang 55 ... 12 Các đường sinh tổng hợp acid amin vi sinh vật Nhóm CHƯƠNG 2: CÁC CON ĐƯỜNG SINH TỔNG HỢP ACID AMIN Ở VI SINH VẬT SƠ ĐỒ CHUYỂN HÓA CÁC ACID AMIN Ở VI SINH VẬT Trang 13 Các đường sinh tổng hợp. .. Sự sinh tổng hợp phản ứng amin hóa trực tiếp gọi sinh tổng hợp sơ cấp acid amin 1.3.2 .Sinh tổng hợp acid amin phản ứng chuyển amin Phản ứng chuyển amin đường hướng sinh tổng hợp acid amin vi sinh. .. hệ trình tổng hợp acid amin thơm vitamine E coli Trang 46 Các đường sinh tổng hợp acid amin vi sinh vật Nhóm 2.3.1 Tổng hợp tiền chất trung gian Chosrimate Hình 2.13 Con đường sinh tổng hợp Chorismate