BÀI GIẢI SINH HÓA (P2)

Các cặp đường glucose và mannose, galactose và talose là các đồng phân lập thể tương ứng của nhau epimer chỉ khác nhau về cấu hình tại vị trí C2 của từng cặp đường này, vì vậy phản ứng o

Chương 5: CARBOHYDRATE

1 Trong các phân tử sugar alcohol (các dẫn xuất của monosaccharide), nguyên tử oxy ở nhóm carbonyl bị khử thành nhóm hydroxyl, ví dụ D-glyceraldehyde có thể

bị khử thành glycerol Tuy nhiên, hợp chất sugar alcohol này không có dạng đồng phân D hoặc L Giải thích?

Khi nhóm carbonyl bị khử thành hydroxy (-OH)l, C thứ 2 (gắn với nhóm carbonyl) không còn là Carbon bất đối xứng nữa vì có 2 nhóm -CH2OH Vì thế, phân tử này không có đồng phân D/L.

Glyceraldehyde

2 Nhiều carbohydrate phản ứng với phenylhydrazine (C6H5NHNH2) tạo thành những dẫn xuất có tinh thể màu vàng tươi, được gọi là osazone:

Nhiệt độ nóng chảy (melting point-MP) của những dẫn xuất này được xác định rất

dễ dàng và phụ thuộc đặc tính từng osazone Thông tin này được dùng để xác định các monosaccharide trước khi cho qua HPLC hoặc sác ký khí-lỏng Bảng dưới liệt

MP của một vài dẫn xuất aldoseosazone:

Monosaccharid

e

MP của monosaccharide khan

(oC)

MP của dẫn xuất osazone (oC)

1

Galactose 165-168 201

Như đã cho trên bảng, từng cặp

dẫn xuất osazon của glucose và

mannose, cùng với galactose và

talose, có cùng điểm nóng chảy

theo từng cặp mặc dù các

monosaccharide đơn của chúng

thì có điểm nóng chảy khác nhau

Giải thích?

Phản ứng giữa phân tử đường và phenylhydrazine xảy ra tại vị trí nhóm carbonyl

C1 và hydroxyl C2 của phân tử đường Các cặp đường glucose và mannose, galactose và talose là các đồng phân lập thể tương ứng của nhau (epimer) chỉ

khác nhau về cấu hình tại vị trí C2 của từng cặp đường này, vì vậy phản ứng osazone tạo ra các dẫn xuất giống nhau h oàn toàn về công thức cấu tạo cũng như cấu hình 3D Vì vậy nhiệt độ nóng chảy của các cặp dẫn xuất osazone giống nhau.

3 Dung dịch một chất đồng phân lập thể của một monosaccharide cho trước quay mặt phẳng phân cực ánh sáng sang trái (ngược chiều kim đồng hồ) được gọi là đồng phân dạng L (levo-rotatory – L) ký hiệu (-); những đồng phân lập thể khác cũng quay mặt phẳng phân cực ánh sáng với cùng phạm vi như trên nhưng sang phải (cùng chiều kim đồng hồ) được gọi là đồng phân dạng D (dextro-rotatory – D) ký hiệu (+) Một hỗn hợp với số mol bằng nhau của hai dạng (+) và (-) sẽ không làm quay mặt phẳng phân cực ánh sáng

Hoạt tính quang học của các đồng phân lập thể được biểu thị một cách định lượng thông qua tính quay cực quang học của nó, góc mà mặt phẳng phân cực ánh sáng quay khi dung dịch một chất được đặt vào ánh sáng có bước sóng nhất định sẽ cho

biết nồng độ của chất đó Góc quay riêng [ ] C

D

o

25

α của một hợp chất có hoạt tính quang học được xác định như sau:

[ ] ( )

( ) (dm C g mL)

OPL

OOR o C

D o

/

25

×

= α

OOR (observed optical rotation): góc quay quang học quan sát được

OPL (optical path length): chiều dài sóng ánh sáng truyền qua dung dịch

C (concentration): nồng độ dung dịch

Nhiệt độ và bước sóng của ánh sáng sử dụng (thông dụng là ánh sáng Natri, bước sóng 589nm) phải được xác định rõ trong định nghĩa

Một dung dịch mới pha của α-D-glucose có góc quay riêng là +112oC Sau một thời gian, góc quay này giảm dần và đạt giá trị cân bằng tương ứng với

D

o

5

52

25 = +

α

Ngược lại, dung dịch mới pha của β-D-glucose có góc quay cực riêng là +19o Sự quay cực của dung dịch này theo thời gian tăng dần đến giá trị cân bằng như ở đồng phân α

a- Vẽ công thức phối cảnh Haworth của hai dạng đồng phân α và β của D-glucose Điểm khác nhau đặc biệt của hai dạng đồng phân trên là gì?

Cấu trúc của phân tử đường vẽ trên mặt phẳng là dạng cấu trúc Fisher

Cấu trúc vẽ trên mặt phẳng của phân tử đường dạng vòng là dạng cấu trúc Haworth

cấu

trú

c

Fis

her

cấu

trú

c

Ha

wo

rth

α-D

-glu

cấu

trú

c

Ha

wo

rth

β-D

-glu

3

D

-glu

cos

e

cop

yra

nos

e

cop

yra

nos

e

Ở đây đặc trưng α và β là cấu hình quay của nhóm hydroxyl (-OH) quang C- khử (hay gọi) là hemicetal của vòng pyranose

b- Tại sao góc quay riêng của dung dịch mới pha ở dạng đồng phân α lại giảm theo thời gian? Tại sao dung dịch hai dạng đồng phân α và β lại có cùng giá trị góc quay riêng ở trạng thái cân bằng?

Trong dung dịch D-glucose, quá trình chuyển đổi đồng phân qua lại (mutarotation) luôn dẫn đến luôn có sự tồn tại 2 dạng đồng phân quang học α và

β Hỗn hợp đồng phân này trở nên cân bằng về đặc tính quang học trong dung dịch Điều đó có nghĩa rằng dung dịch ban đầu chỉ toàn phân tử α hoặc β, nhưng sau một thời gian 2 kiểu dung dịch này trở thành hỗn hợp cân bằng, tương đồng nhau về góc quay quang học.

Dung dịch ban đầu chỉ toàn α-glucose [ ] C

D

o

25

α

= +112 o thì sau một thời gian

một số phân tử chuyển sang dạng β-glucose [ ] C

D

o

25

α

= +19 o gây nên việc giảm góc quay chung của dung dịch.

c- Tính toán phần trăm mỗi loại đồng phân trên có mặt trong dung dịch D-glucose ở trạng thái cân bằng

Giả sử có 100 phân tử D-glucose trong dung dịch, mỗi phân tử α-glucose có góc quay cực riêng là +112 o , mỗi phân tử β-D-glucose có góc quay cực riêng là +19 o

trung bình cộng của các góc quay cực riêng của các phân tử trong dung dịch Do

đó tại trạng thái cân bằng ta có hệ phương trình 2 nghiệm thức:

X 1 + X 2 = 100 (%)

112.X 1 + 19.X 2 = 52.5(X 1 + X 2 )

Từ phương trình ta tính được X 1 =36; X 2 =64 hay nói cách khác tại trạng thái cân bằng α-D-glucose chiếm 36% và β-D-glucose chiếm 64%

4 Fructose trong mật ong tồn tại chính ở dạng β-D-pyranose Đây là một trong những carbohydrate ngọt nhất được biết tới, có độ ngọt khoảng gấp đôi độ ngọt của glucose Dạng β-D-furanose của fructose thì lại ít ngọt hơn Độ ngọt của mật ong giảm ở nhiệt độ cao Cũng như vậy, nước mật bắp giàu fructose (một sản phẩm thương mại trong đó glucose của dịch mật bắp được chuyển sang dạng fructose) được dùng trong những thức uống lạnh chứ không dùng cho nước uống nóng Đặc tính hóa học nào của fructose có thể giải thích cho những điều trên?

Fructose có khả năng đóng vòng tạo 2 dạng β-D-pyranose và β-D-furanose Khi nhiệt độ cao, cân bằng xảy ra theo hướng tạo nhiều phân tử β-D-furanose hơn, dẫn đến giảm độ ngọt của dung dịch fructose.

5 Thủy phân sucrose (góc quay riêng là +66.5o) thu được hỗn hợp D-glucose (góc quay cực riêng là +52.5o) và D-fructose (góc quay cực riêng là –92o) với số mol bằng nhau

a- Hãy đề xuất quy trình hợp lý để xác định mức độ thủy phân sucrose bởi một dịch enzyme được trích từ niêm mạc ruột non

Hoạt tính enzyme invertase (thủy phân sucrose) thể hiện bằng lượng sản phẩm tạo thành khi enzyme thủy phân cơ chất sucrose trong một đơn vị thời gian Như vậy, nếu tính được lượng glucose hay fructose tạo thành trong thời gian nhất định, có thể suy ra được hoạt tính enzyme

Quy trình: cho enzyme tác dụng với dung dịch sucrose và đo sự thay đổi góc quay riêng theo thời gian.

b- Giải thích tại sao hỗn hợp D-glucose và D-fructose với số mol bằng nhau trên được gọi là đường nghịch đảo (invert sugar) trong công nghiệp thực phẩm?

5

Dung dịch sucrose ban đầu có góc quay cực dương (+66.5 o ), sau khi thuỷ phân tạo hỗn hợp glucose và fructose với số mol bằng nhau, có góc quay cực trung bình là: +52.5 + (-92)=-39.5 o Như vậy sau khi thủy phân dung dịch bị đảo cực góc quay, và hỗn hợp dung dịch lúc này gọi là đường nghịch đảo

c- Invertase (tên thông dụng là sucrase) được cho phản ứng với dung dịch 10% (0.1g/mL) sucrose cho tới khi sự thủy phân xảy ra hoàn toàn Góc quay cực quang học quan sát được trong dung dịch có bề dày 10cm? (Bỏ qua tác động nhỏ

có thể có từ enzyme)

Áp dụng công thức tính góc quay quang học:

OOR (observed optical rotation): góc quay quang học quan sát được

OPL (optical path length): chiều dài đường ánh sáng truyền qua dung dịch (cuvette) = 10cm = 1dm

C (concentration): nồng độ dung dịch

Vì phản ứng thủy phân hoàn tòan sucrose, nên sau phản ứng trong dung dịch có chứa cả 2 loại phân tử D-glucose và D-fructose với số lượng phân tử ngang nhau (tỷ lệ 1:1) Do đó góc quan sát được sau phản ứng sẽ là trung bình cộng góc quay quan sát được của dung dịch

6 Mặc dù lactose tồn tại dưới hai dạng đồng phân anomer, nhưng không tìm thấy dạng anomer nào của sucrose Giải thích?

Anomer là đồng phân cấu hình tại C có chứa nhóm hemiacetal hay hemiketal Lactose cấu tạo từ 2 phân tử β-galactose và β-glucose liên kết bằng cầu nối 1,4 vì thế lactose còn dư nhóm hemiacetal trong phân tử  có 2 đồng phân

Sucrose cấu tạo từ α-glucose và β-fructose theo cầu nối 1,2 vì thế sucrose không còn nhóm hemiacetal tự do trong phân tử  không có đồng phân anomer

7 Hầu hết cellulose tinh khiết thu được từ hạt Gossypium (cotton) mang các đặc

tính dai, dạng sợi, và không hòa tan trong nước Ngược lại, glycogen thu được từ

cơ hoặc gan lại phân tán dễ dàng trong nước nóng tạo dung dịch đục Mặc dù có những tính chất vật lý khác nhau nhưng chúng đều là polymer được cấu tạo từ liên

kết (1→4) D-glucose với trọng lượng phân tử có thể ngang bằng với nhau Những

khác biệt nào về cấu trúc phân tử làm cho hai polysaccharide trên có tính chất vật

lý khác nhau? Giải thích những thuận lợi về mặt sinh học từ tính chất những hợp chất trên

Cellulose cấu tạo từ các đơn phân β-glucose nối với nhau theo cầu nối β-1,4 glycoside Cầu nối này làm cho 2 phân tử glucose kế cận nhau xoay 180 o , liên kết này cứng nhắc nên 2 phân đường khó có thể quay xung quanh trục liên kết Các đơn phân β-glucose khác tiếp tục gắn song song vào mạch tạo nên cấu trúc polymer thảng dài, dày, chặt chẽ Chính cấu trúc cứng nhắc này làm cho cellulose không tan được trong nước.

Glycogen cấu tạo từ các đơn phân α-glucose nối với nhau theo cầu nối α-1,4 glucoside Cầu nối này làm phân tử glucose thứ 2 quay một góc 60 o so với phân tử glucose trước đó Giữa 2 phân từ đường vẫn có thể quay xung quanh trục liên kết dẫn đến cấu trúc polymer có khuynh hướng sợi gấp khúc, gấp cuộn Vì vậy, glycogen có mạch không dài, dạng hạt, có khả năng phân tán trong nước.

Thuận lợi về mặt sinh học: cellulose do cấu trúc cứng nhắc và thẳng nên có vai trò thành tế bào thực vật (mô xơ, sợi, mạch gỗ) Glycogen dạng hạt, gọn về thể tích, nên thích hợp tích lũy trong mô của động vật

8 Thân tre (một loại cỏ nhiệt đới) có thể phát triển với tốc độ phi thường 0.3m/ngày trong điều kiện tối ưu Cho rằng thân tre được cấu tạo hoàn toàn từ sợi cellulose theo chiều phát triển của cây, hãy tính số lượng đơn phân đường cần phải

Cellulose

7

gắn vào theo chiều phát triển của sợi cellulose bằng enzyme trong một giây để đạt

được tốc độ phát triển trên Mỗi phân tử D-glucose chiếm khoảng 0.5nm chiều dài

của phân tử cellulose

Tốc độ phát triển trong 1 giây: 0,3m/ngày = 0,3.10 9 nm/(24*3600)s = 3472 nm/s

Số đơn phân D-glucose cần gắn trong 1 giây: 3472/0,5=6944 (nhóm)

Bài tập chương 5 (tiếp): Chu trình đường phân (glucolysis), TCA, pentophosphate và

tổng hợp đường (gluconeogenesis)

1. Định nghĩa quá trình “Glycolysis”, quá trình này xảy ra ở điều kiện hiếu khí hay kị khí?

Quá trình Glycolysis là quá trình phân giải phân tử glucose 6C thành hai phân tử pyruvate 3C bằng các enzyme thông qua 1 loạt các phản ứng xúc tác bởi enzyme, trong điều kiện kỵ khí

2. Trong quá trình chuyển hóa glucose kị khí, 1 mole Glc chuyển thành 2 mole lactate có kèm theo sự tạo thành phân tử gì?

Quá trình chuyển hóa glucose thành lactate thông qua quá trình glycolysis tạo

thành pyruvate, và từ pyruvate mới tạo thành lactate Do vậy quá trình này tạo ra

2 ATP (chu trình glycolysis -2ATP + 4ATP) Mặc dù 2 NADH tạo thành từ

glycolysis nhưng đã sử dụng để chuyển hóa 2 pyruvate thành 2 lactate

Người ta gọi ATP sinh ra từ quá trình glycolysis là phosphoryl hóa mức độ cơ

chất- khác với Phosphoryl hóa oxy hóa, tức là sinh ATP do sự nhường điện tử cho

oxy

PTPƯ:

3. Viết phản ứng oxi hóa khử của NADH và chỉ rõ đâu là dạng khử đâu là dạng oxy hóa?

NADH + H+ + ½ O  NAD+ + H2O

NAD + nhận điện tử : dạng oxy hóa

NADH nhường điện tử: dạng khử

4. Trong quá trình lên men của nấm men tạo etanol, nếu môi trường lên men không có ion phosphate thì không có ethanol tạo thành Khi cho một chút Pi, lập tức ethanol bắt đầu được tạo thành, giải thích?

Lên men là quá trình phân giải kỵ khí hợp chất glucose tạo năng lượng, trong đó có sản sinh hợp chất ethanol Quá trình này bao gồm cả quá trình glycosis tạo tiền chất cho quá trình lên men ethanol là pyruvate Quá trình tạo thành pyruvate từ phân tử glucose trài qua giai đoạn chuẩn bị là phosphoryl hóa glucose , vì thế cần có ion Phosphate thì quá trình glycolysis mới xảy ra và đồng nghĩa với khả năng lên men tạo ethanol xảy ra.

5. Những enzym nào đóng vai trò trong cả 2 quá trình: Glucolysis (phân rã Glc) và Gluconeogenesis (sinh tổng hợp Glc)?

Các enzyme cần chung cho cả 2 quá trình glycolysis và gluconeogenesis: glyceraldehydes 3-phosphate dehydrogenase, phosphoglycerate kinase,

9

phosphoglycerate mutase, enolase, aldolase (fructose 1,6-P aldolase), phosphohexose isomerase

6. Enzym nào đóng vai trò trong chuyển hóa glycogen thành đường đơn glucose?

Enzyme glycogen phosphorylase

7. Một hậu quả của việc đói là sự giảm khối lượng các mô Vậy chuyện gì đã xảy ra với protein của các mô cơ đó?

Khi các mô lâm vào tình trạng đói, quá trình gluconeogenesis (hình thành phân tử đường mới) để tổng hợp glucose từ các tiền chất không phải là carbonhydrate sẽ xảy ra Protein trong mô sẽ bị phân giải tạo các amino acid- tiền chất cho quá trình gluconeogenesis.

8. Một quy trình phổ biến để đánh giá xem một chất có phải là tiền chất của glucose trong động vật hữu nhũ không là bỏ đói nó cho đến khi glycogen trong gan được sử dụng hết, sau đó đưa vào cơ thể sinh vật hợp chất cần nghiên cứu Chất này nếu là tiền chất của glucose thì sẽ làm tăng lượng glycogen trong gan (được gọi là glucogenic) vì chúng phải qua bước biến đổi thành glucose 6-phosphate Hãy đánh giá những chất cho dưới đây có phải là glucogenic?

a- Succinate, -OOC-CH2-CH2-COO

-b- Glycerol, HO-CH2-CH(OH)-CH2-OH

c- Acetyl CoA, CH3-CO-S-CoA

d- Pyruvate, CH3-CO-COO

-e- Butyrate, CH3-CH2-CH2-COO

-a- succinate – hợp chất 4 carbon-muốn thành tiền chất của Glc thì cần qua chu trình TCA để thành oxaloacetate Tiếp đến, oxaloacetate được chuỵển hóa thành phosphoenolpyruvate (PEP) nhờ enzym PEP carboxykinase có trong ty thể hoặc ở cytosol (xem slide chuyển hóa pyruvate, chương 5) PEP là một chất chuyển hóa trung gian chính của chu trình gluconeogenesis (xem chương 5).

b- glycerol –hợp chất 3 carbon-(xem chương 7 phần chuyển hóa chất béo) chuyển hóa qua 3 bước thành glyceraldehyde-3-phosphate là một chất chuyển hoá trung gian quan trọng của glycolysis và gluconeogenesis (xem chương 5)

c- Acetyl-CoA mặc dù là sản phẩm chuyển hóa của pyruvate bởi enzym pyruvate hydrogenase nhưng phản ứng này không thuận nghịch, nên Acetyl-coA không chuyển hóa thành chuyển thành pyruvate Tuy nhiên theo chu trình TCA nếu Acetyl –CoA có thể chuyển hóa thành oxaloaceate (xem chương 6) rồi thành PEP (xem chương 5) nên cũng

có thể là tiền chất của quá trình tổng hợp glucose

d- pyruvate là tiền chất tổng hợp Glc vì nó là hợp chất trung gian quan trọng của cả 2 quá trình glycolysis và gluconeogenesis (xem chương 5)

e- butyrate không phải là tiền chất của quá trình gluconeogenesis

9. Sự thiếu hụt bẩm sinh enzym fructose1,6-bisphosphatase trong gan làm hàm lượng

lactate trong huyết tương cao hơn mức bình thường Giải thích

Theo sơ đồ trên (câu 8), lactate từ mô cơ sẽ đi vào máu, để được vận chuyển đến gan Đến gan,lactate chuyển hóa thành pyruvate và đi vào quá trình gluconeogenesis tạo glucose máu Enzyme fructose 1,6-bisphosphatase có vai trò trong chuỗi phản ứng chuỵển hóa tạo glucose từ pyruvate, vì thế nếu không có enzyme này thì lactate không được chuyển hóa bởi gluconeogenesis thành glucose máu Lactate không bị chuyển hóa, ứ lại trong máu với hàm lượng cao hơn mức bình thường.

(Lưu ý: lactate tích lũy gây độc cho mô, tạo ra do quá trình khử pyruvate)

11 11