Trong khi động vật sử dụng chất béo để tích lũy năng lượng thì thực vật chúng chủ yếu sử dụng nguồn dự trữ carbongydrate. Mỡ và dầu là nguồn tích lũy quan trọng của carbon dạng khử của nhiều loại hạt ở những loài nông nghiệp quan trọng như đậu tương, hoa hướng dương, lạc và bông. Dầu thường sử dụng như một nguồn tích lũy chính ở nhiều cây hoang dại mà tạo ra các hạt nhỏ. Một số quả như oliu và lê tàu (avocados) cũng tích lũy chất béo và dầu.
Trong phần sau của chuyên đề này chúng ta sẽ bàn đến sinh tổng hợp hai loại glicerolipid: tracylglycerol (chất béo và dầu tích lũy trong hạt) và glycerollipid phân cực (hình 14). Chúng ta sẽ thấy rằng sinh tổng hợp triacylglycerol (mỡ trung tính) và glycerollipid phân cực cần thiết cho sự hợp tác của hai bào quan: lạp thể và màng lưới nội chất. Thực vật có thể sử dụng chất béo và dầu để sinh năng lượng như vậy chúng ta sẽ xem xét quá trình phức tạp mà hạt nảy mầm thu được năng lượng trao đổi chất nhờ oxy hóa mỡ và dầu.
Hình 14. Cấu trúc triacylglycerols và glycerolipid phân cực ở thực vật bậc cao
Mỡ và dầu tích lũy một lượng năng lượng lớn
Mỡ và dầu thuộc vào cùng một lớp lipid, về mặt cấu trúc là một nhóm đa dạng các hợp chất kỵ nước và hòa tan trong các dung môi hữu cơ, không tan
trong nước. Lipid thể hiện một dạng carbon khử hơn nhiều so với carbongydrate, vì thế khi oxy hóa hoàn toàn 1g mỡ hoặc dầu tạo ra nhiều ATP (khoảng 40 kJ hoặc 9,3 kcal) hơn oxy hóa 1g tinh bột (khoảng 15,9 kJ hoặc 3,8 kCal). Ngược lại sinh tổng hợp mỡ và dầu và các phân tử liên quan như phospholipid màng cần
đầu tư một lượng đáng kể năng lượng trao đổi chất.
Các lipid khác quan trọng cho cấu trúc và chức năng của thực vật nhưng không được sử dụng tích lũy năng lượng của thực vật. Đó là sáp, tạo ra lớp cutin
để giảm sự mất nước của các mô thực vật lộ ra ngoài, và terpenoid (hay còn gọi là isoprenoid), chúng gồm cả carotenoid tham gia trong quang hợp và sterol có ở
nhiều màng thực vật.
Triacylglycerol được tích lũy trong olesome
Mỡ và dầu tồn tại chủ yếu ở dạng triacylglycerol (acyl là nói về phần acid béo), hoặc trglycerid ở đó các phân tử acid béo được liên kết ester với 3 nhóm hydroxyl của glycerol.
Các acid béo trong thực vật thường là những acid carboxylic mạch thẳng có số carbon chẵn. Chuỗi carbon có thể biến động từ 12-20 nhưng chủ yếu là 16 hoặc 18. Dầu chủ yếu ở dạng lỏng ở nhiệt độ bình thường do sự có mặt của các liên kết đôi trong thành phần acid béo của nó; mỡ có thể tỷ lệ cao các acid béo no, và ở thể rắn ở nhiệt độ bình thường. Các acid béo chủ yếu được trình bày trong bảng 3.
Thành phần acid béo của lipid thực vật thay đổi theo loài ví dụ dầu lạc acid palmitic chiếm 9%, acid olecic 59% và acid linoleic 21% và dầu bông có acid palmitic 20%, acid oleic 30%, và acid linoleic 45%. Sự tổng hợp các acid béo này sẽđược thảo luận ngắn gọn.
Triacylglycerol ở nhiều hạt được tích lũy trong tế bào chất của tế bào thuộc lá mầm và tế bào nội nhũ. ở trong các bào quan gọi là olesome (hoặc là thể cầu, thể dầu). Olesome có màng ngăn không bình thường để cách ly triglyceride với tế
bào chất. Một lớp phospholipid bao quanh thể dầu với các đuôi ưa nước của phospholipid hướng về tế bào chất và chuỗi hydrocarbon kỵ nước quay về bên
trong. Olesome được ổn định bởi sự có mặt của các protein đặc trưng gọi là oleosin, chúng bao bề mặt và ngăn ngừa phospholipid của thể dầu tiếp xúc với nhau và hợp nhất.
Cấu trúc màng độc đáo của olesome là kết quả theo cách tổng hợp triacylglycerol. Sinh tổng hợp triacylglycerol được thực hiện nhờ các enzyme ở
màng của lưới nội chất, và các chất béo tạo thành tích lũy giữa hai lớp màng đơn của màng lưới nội chất. Lớp màng kép của lưới nội chất phồng ra khi càng nhiều chất béo được bổ sung vào cấu trúc đang hình thành và cuối cùng một thể dầu trưởng thành được tách ra từ lưới nội chất.
Glycerollipid phân cực là lipid cấu trúc chủ yếu trong màng
Mỗi màng trong tế bào là một màng kép có tính phân cực (amphipathic- một đầu ưa nước và một đầu ghét nước) mà ở đó có đầu phân cực tương tác với pha nước trong khi đó chuỗi acid béo kỵ nước tạo ra lõi của màng. Lõi kỵ nước này ngăn ngừa sự khuếch tán ngẫu nhiên của các chất hòa tan giữa các khoang tế
bào vì thế cho phép các phản ứng sinh hóa trong tế bào có tính tổ chức.
Lipid cấu trúc cơ bản ở màng là các glycerolipid phân cực (hình 14) mà phần kỵ nước gồm 2 phân tử chuỗi acid béo 16 hoặc 18 carbon được ester hóa với carbon số 1 và số 2 của glycerol. Nhóm của đầu phân cực được liên kết với carbon số 3 của glycerol có hai dạng glycerollipid phân cực :
1. Glyceroglycolipids ởđó đường tạo ra nhóm đầu (hình 15A) 2. Glycerophospholipids có nhóm đầu chứa phosphate (hình 15B).
Hình 15. Một số lipid phân cực của màng tế bào thực vật
Màng thực vật có các lipid cấu trúc bổ sung bao gồm sphingolipids và sterol, nhưng chúng là thành phần không đáng kể. Các lipid khác thực hiện nhưng vai trò đặc trưng trong quá trình quang hợp và quá trình khác. Trong số những
lipid này có chlorophyll, plastoquinone, carotenoid, và tocopherol chúng chiếm 1/3 lipid bổ sung lipid của lá.
Hình 15 chỉ ra 9 lớp glycolipid chủ yếu ở thực vật, mỗi lớp có thể tổ hợp với nhiều loại acid béo khác nhau. Các cấu trúc nêu ở hình trên minh họa cho một số lớp phân tử thường gặp.
Màng của lục lạp chứa đến 70% lipid của màng trong các mô quang hợp chủ yếu là glyceroglycolipid, các màng khác của tế bào là glycerophospholipid (bảng 4). Trong các mô không quang hợp, phospholipid là glycerolipid chủ yếu của màng.
Bảng 4. Thành phần glycerolipid của màng tế bào
Sinh tổng hợp acid béo gồm các chu trình thêm 2 carbon
Sinh tổng hợp acid béo gồm các phản ứng trùng ngưng có tính tuần hoàn của các đơn vị 2 carbon mà acetyl-CoA là tiền chất. Ở thực vật, acid béo được tổng hợp chủ yếu ở lạp thể, còn ở động vật acid béo được tổng hợp chủ yếu trong tế bào chất.
Các enzyme của con đường có thể liên kết với nhau tạo thành một phức như fatty acid synthase. Có lẽ phức này cho phép một chuỗi các phản ứng diễn ra một cách hiệu quả hơn nếu như các enzyme này được tách rời nhau về mặt vật lý. Bên cạnh đó, việc kéo dài chuỗi acyl được liên kết cộng hóa trị với nhau với một protein acid có phân tử thấp gọi là chất mang protein mang acyl ký hiệu ACP. Khi liên kết với ACP, acid béo được nhắc đến như acyl-ACP.
Bước đầu tiên xảy ra trong con đường (là bước độc đáo đầu tiên để tổng hợp acid béo) là tổng hợp malonyl –CoA từ acetyl-CoA và CO2 nhờ enzyme
acetyl-CoAcarboxylase (hình 16). Sự điều hòa chặt chẽ của acetyl- CoAcarboxylase hình như kiểm soát toàn bộ tốc độ tổng hợp acid béo. Sau đó Malonyl-CoA tác dụng với ACP để sinh ra malonyl-ACP:
1. Trong chu kỳ đầu của sinh tổng hợp acid béo, nhóm acetate của acetyl- CoA được chuyển cho cysteine của enzyme trùng ngưng (3-ketoacyl- ACPsynthase) sau đó liên kết với malonyl-ACP để tạo ra acetoacetyl-ACP. 2. Tiếp theo nhóm keto của carbon thứ 2 được tách ra (bị khử) qua hoạt động của 3 enzyme để tạo ra một chuỗi acyl mới (butyryl-ACP) có 4 carbon (hình 16).
3. Acid 4 carbon và các phân tử malonyl –Acp sau đó trở thành cơ chất mới
để cho enzyme trùng ngưng (kết hợp phân tử) kết quả thêm 2 carbon vào nữa vào chuỗi đang kéo dài, cứ tiếp tục như vậy cho đến chuỗi 16 hoặc 18 carbon.
4. Một số phức chuỗi acyl 16:0 (bão hòa) carbon-ACP được giải phóng từ bộ
máy tổng hợp acid béo nhưng phần lớn các phân tử là được kéo dài đến 18:0-ACP được chuyển thành 18:1-ACP là nhờ các enzyme desaturase (tạo liên kết đôi). Sự lặp lại của các sự kiện tạo 16:0-Acp và 18:1-ACP là sản phẩm chính của sinh tổng hợp acid béo trong lạp thể (hình 17).
Các acid béo có thể trải qua những biến đổi sau khi chúng liên kết với glyceol để tạo thành glycrlipid. Các liên kết đôi bổ sung ở acid béo 16:0 và 18:1 nhờ một loạt các isozyme. Desaturase isozyme là những protein liên kết hoàn toàn với màng được tìm thấy ở lục lạp và lưới nội chất. Mỗi desaturase gắn một liên kết đôi ở một vị trí đặc trưng ở chuỗi acid béo, các enzyme tác động một cách trình tự để tạo ra các sản phẩm acid béo 18:3 hoặc 16:3.
Hình 17. Hai con đường sinh tổng hợp glycerolipid trong lục lạp và màng lưới nội chất của Arabidosis
Glycerolipids được tổng hợp ở trong lạp thể và lưới nội chất
Các acid béo được tổng hợp ở lạp thể sau đó được sử dụng để tổng hợp Glycerolipidscủa màng và oleosome. Bước đầu tiên của tổng hợp Glycerolipids là 2 phản ứng acyl hóa chuyển acid béo từ acyl-ACP hoặc acyl-CoA đến glycerol-3- phosphate để tạo ra acid phosphatidic.
Sự hoạt động đặc hiệu của phosphatase tạo ra diacylglycerol (ADG) từ acid phosphatidic. Acid phosphatidic cũng có thể được chuyển trực tiếp thành phosphatidylinositol hoặc phosphatidylglycerol; DAG có thể làm tăng to phosphatidylethanolamine hoặc phosphatidylcholine (hình 17).
Sự định vị của các enzyme sinh tổng hợp glycerolipid cho thấy một sự tương tác chặt chẽ và phức tạp giữa lục lạp – nơi acid béo được tổng hợp với các hệ thống màng sinh học khác của tế bào. Theo một thuật ngữ đơn giản, quá trình sinh hóa có hai con đường như con đường nhân sơ prokaryot (hoặc chloroplast) và con
đường nhân chuẩn eukaryot (con đường ER). Sơ đồ đơn giản của mô hình này
được trình bày ở hình 17.
1. Ở lục lạp, con đường prokaryot sử dụng 16:0 và 18:1 ACP của acid béo
được tổng hợp trong lục lạp để tổng hợp acid phosphatidic và các dẫn xuất. Các acid béo có thểđưa ra tế bào chất dưới dạng ester của CoA.
2. Ở tế bào chất, con đường Eukaryot sử dụng một loạt các acyltransferase khác nhau ở màng lưới nội chất đưa acid béo vào acid phosphatidic và các dẫn xuất của chúng.
Ở một số thực vật bậc cao, gồm Arabidopsis và rau bina, hầu như hai con
đường thực hiện với mức độ như nhau đối với tổng hợp lipid ở lục lạp. Tuy nhiên
ở nhiều cây hạt kín khác, phosphatidylglycerol (phospholipid) là sản phẩm duy nhất của con đường nhân sơ, và lipid còn lại của diệp lục được tổng hợp theo con
đường nhân chuẩn.
Hóa sinh của tổng hợp triacylglycerol trong hạt chứa dầu được mô tả như đối với glycerolipid. 16:0 và 18:1-ACP được tổng hợp trong lạp thể của tế bào sau đó được đưa ra như dưới dạng thioester CoA đểđưa vào DAG trong lưới nội chất (hình 17).
Lipid tích lũy được chuyển hóa thành carbonhydrate trong hạt nảy mầm
Sau khi nảy mầm, hạt chứa dầu chuyển hóa triacylglucerol tích lũy bằng chuyển lipid thành sucrose. Thực vật không có khả năng chuyển chất béo từ nội nhũ tới mô rễ và chồi của hạt nảy mầm, vì thế chúng phải chuyển lipid dự trữ
thành dạng carbon linh động hơn phổ biến là sucrose. Quá trình này gồm một chuỗi các bước ở các khoang khác nhau trong tế bào: oleosome, glyosome, ty thể
và tế bào chất.
Tổng quan chuyển hóa lipid thành đường.
Sự chuyển đổi lipid thành sucrose trong hạt có dầu được khởi đầu bởi sự
nảy mầm và bắt đầu với sự thủy phân triacylglycerol dự trữ trong các thể dầu thành các acid béo tự do, sau đó nhờ sự oxy hóa acid béo thành acetyl-CoA (hình 18). Acid béo được oxy hóa trong một loại peroxisome được gọi là gluoxisome, một bào quan được bao quanh bởi màng kép đơn giản được tìm thấy ở các mô tích lũy nhiều dầu của hạt. Acetyl-CoA được chuyển hóa trong glyoxisome (hình 18A) tạo ra succinate, nó được chuyển từ glyoxisome đến ty thể, ở đó nó được chuyển thành oxaloacetate và sau đó là malate. Quá trình kết thúc ở tế bào chất
với việc chuyển malate thành glucose qua gluconeogenesis, và sau đó đến sucrose.
Mặc dù một số carbon từ các acid béo này được tách ra và đi vào các phản
trình này rất là hiệu quả mà mỗi g lipid được oxy hóa và kết quả tạo ra 1g carbongydrate, nó tương đương với 40% phục hồi năng lượng tự do của dạng liên kết carbon ([15,9kJ/40kJ]x 100 = 40%).
Enzyme thủy phân lipase
Bước đầu tiên của sự chuyển hóa chất béo thành carbongydrate là phá vỡ
triglyceride tích lũy trong các hạt dầu nhờ lipase, mà ít nhất ở nội nhũ đậu castor, nó nằm ở một nửa màng mà nó thể hiện như ranh giới bên ngoài của thể dầu. Lipase thủy phân triacylglycerol đến 3 phân tử acid béo và glycerol. Ngô và bông cũng chứa hoạt tính lipase trong các thể dầu, trong khi đó ở lạc, đậu tương và dưa chuột thể hiện hoạt tính lipase ở glyoxisome. (hình 18B).
β- oxy hóa acid béo
Sau thủy phân triacylglycerol, các acid béo được tạo ra đi vào glyoxisome, nơi đó chúng được hoạt hóa đến fatty-acyl-CoA bởi enzyme fatty-acyl-CoA synthase. fatty-acyl-CoA là cơ chất đầu tiên cho một loạt phản ứng β-oxy hóa, mà các acid béo Cn (gồm acid béo n số C) từng bước phân cắt đến đến n/2 phân tử
acetyl-CoA (hình 18A). trình tự phản ứng gồm khử ½ O2 đến nước và tạo ra một NADH và 1 FADH2 cho mỗi acetyl-CoA được tạo ra.
Trong mô động vật có vú, bốn enzyme liên quan đến β-oxy hóa có mặt trong ty thể; trong mô hạt thực vật, chúng định vị trong glyoxisome. Sự thú vị là trong mô sinh dưỡng thực vật (chẳng hạn như củ khoai tây), phản ứng β-oxy hóa diễn ra trong peroxisome.
Chu kỳ glyoxylate
Chức năng của chu kỳ glyoxylate là chuyển hai phân tử acetyl-CoA tới succinate. Acetyl-CoA được tạo ra bởi β-oxy hóa chuyển hóa trong glyoxisome thông qua một dãy các phản ứng tạo ra chu kỳ glyoxylate (hình 18A). Đầu tiên, acetyl-CoA phản ứng với oxaloacetate để tạo citrate, sau đó nó được chuyển đến tế bào chất đểđồng phân hóa thành isocitrate bởi aconitase. Isoncitrate chuyển trở
lại vào trong peroxisome và được chuyển thành malate bởi hai phản ứng đặc trưng cho con đường glyoxylate:
1. Đầu tiên isocitrate (C6) được phân cắt bởi enzyme isocitratelyase tạo succinate (C4) và glyoxylate (C2). Succinate này được chuyển vào ty thể. 2. Tiếp theo, malate synthase kết hợp với phân tử acetyl-CoA thứ hai với
glyoxylate tạo ra malate.
Malate sau đó bị oxy hóa bởi malate dehydrogenase tới oxaloacetate, nó có thể kết hợp với phân tử acetyl-CoA khác để tiếp tục chu kỳ (hình 18A). Glyoxylate được tạo ra tham gia hoạt động của chu trình glyoxylate trong glyoxisome nhưng succinate thì chuyển sang ty thể cho quá trình khác.
Vai trò của ty thể
Succinate chuyển từ glyoxisome đến ty thể sau đó được chuyển thành malate bởi phản ứng acid citric. Malate sau đó bị oxy hóa tới oxaloacetate bởi malate dehydrogenase trong tế bào chất, và kết quả là oxaloacetate được chuyển thành carbonhydrate.
Sự chuyển đổi này cần phá bỏ phản ứng không thuận nghịch của pyruvate kinase (hình 3) và là dễ dàng bởi enzyme PEP carboxylase, nó sử dụng khả năng phosphoryl hóa của ATP để chuyển oxaloacetate thành PEP và CO2 (hình 18A). Từ PEP, gluconeogenesis có thể phát triển để sản xuất ra glucose. Sucrose là sản phẩm cuối cùng của quá trình này và là dạng chủ yếu của carbon khử chuyển từ lá mầm tới mô của cây con. Không phải tất cả hạt đều chuyển hóa chất béo thành
đường.
Tài liệu tham khảo chính