R -CH COO H C H COOC2H
7.5 Sinh tổng hợp aminoacid
Ở vi khuẩn và lục lạp của thực vật con đường quan trọng nhất để
tổng hợp glutamate là từ 2-oxoglutarate và glutamine. Phản ứng này được xúc tác bởi enzym glutamat-synthase.
Ở động vật glutamate xuất hiện chủ yếu bằng phản ứng chuyển amine giữa 2-oxoglutarate và aminoacid. Phản ứng này xảy ra chủ yếu ở
gan, là cơ quan trung tâm của sự biến đổi aminoacid.
Ở sự chuyển amine hoá glutamate và aspartate là những chất cho nhóm NH2. Một sự vận chuyển amine từ glutamate đến pyruvate được chỉ
ra như sau:
Enzyme xúc tác là glutamat-pyruvat-aminotransferase. α- cetoglutaric acid được tạo nên lại trở thành chất nhận NH3. Nhờ sự chuyển amine mà nhiều aminoacid được tạo thành. Những ví dụ quan trọng nhất là:
oxaloacetic acid → aspartic acid glyoxylic acid → glycine pyruvic acid → alanine hydroxy pyruvic acid → serine α-ceto hydroxybutyric acid → threonine Glutaminsemialdehyde → ornithin
Tuy nhiên không phải tất cả các aminoacid có trong tự nhiên được tổng hợp bằng con đường chuyển amine hoá. Còn có những con đường phản ứng quan trọng khác để tổng hợp nên các aminoacid. Người ta biết các con đường phản ứng tương ứng cho 5 họ aminoacid khác nhau (bảng7.5). Ví dụ ở hình 7.12 chỉ ra con đường tổng hợp của họ glutamic acid.
1. Glutamic acid được phosphoryl hoá nhờ ATP ở nhóm δ-carboxyl
để tạo thành glutamylphosphate
2. Chất này được khử nhờ NADPH để tạo thành aldehydglutamic acid
đồng thời tách ra phosphate.
3. Chất này được amine hoá nhờ enzyme transaminase ở vị trí δ- carbon, tạo nên ornithine.
4. Chất này được khử amine hoá nhờ 1 enzyme transaminase ở vị trí α-carbon làm xuất hiện α-ceto-δ-amino-valeric acid.
5. Qua sự ngưng tụ một vòng 5 cạnh được tạo nên (pyrrolidincarbonic acid)
Hình 7.12 Các con đường phản ứng của họ glutamic
Bảng 7.5 Những aminoacid quan trọng nhất của các họ aminoacid
Họ glutamic Họ aspartate Họ
pyruvate
Họ serine Họ aminoacid thơm
Glutamate Aspartate Alanine Serine Phenylalanine Ornithine Lysine Valine Glycine Tyrosine Arginine Methionine Leucine Cysteine Tryptophan
Proline Threonine
Hydroxyproline Isoleucine
Arginine cũng thuộc vào họ glutamic acid có thểđược tổng hợp nên từ ornithine. Hydroxyproline được tổng hợp từ proline nhờ 1 “oxidase có chức năng hỗn hợp”. Chất cho H là ascorbic acid (vitamin C). Như sơđồ
dưới đây nhóm OH định vịở C3 của ascorbic acid có khả năng phân ly 1 H+. Phân tử này có đặc tính acid. Giá trị pK của nó là 4,2. Ascorbic acid tham gia vào phản ứng với proline khi tách ra phân tử O2, trong đó nó cung cấp nguyên tử H cần thiết cho sự tạo H2O tương ứng.
Sự hydroxyl hoá proline xảy ra không phải ở những phân tử proline riêng biệt, mà xảy ra sau khi phân tử proline đã tham gia cấu tạo protein.
Ở dạng này hydroxylproline là thành phần quan trọng trong collagen và elastin. Nếu thiếu aminoacid này sẽ dẫn đến sự rối loạn trong các mô liên kết, mô chống đỡ (xương, răng) và gân. Khi thiếu vitamin C thì việc xây dựng các mô này bị tổn thương (bệnh hoại huyết). Sự rối loạn này được giải thích là thiếu chất cho H, ascorbic acid, để tổng hợp hydroxylproline từ proline.
Proline và hydroxylproline là những aminoacid dị vòng. Ở đây nguyên tử N ở dạng NH. Mặc dù vậy người ta không gọi nó là iminoacid, vì nó thể hiện như aminoacid. Thực tế nguyên tử H bị thiếu được thay thế
bởi 1 chất khác. Ở iminoacid có nhóm imine, ởđây nguyên tử N kết hợp với C bằng 1 liên kết đôi (HN=C).
Sự tổng hợp các aminoacid thơm đi từ phosphoenolpyruvate và erythrosophosphate. Con đường tổng hợp phức tạp này không nêu lên ở đây. Một sản phẩm trung gian quan trọng của quá trình này là shikimic acid.
Để tổng hợp cysteine, một aminoacid chứa S, cần khử sulfate. Quá trình này chỉ xảy ra ở thực vật và các vi sinh vật khác nhau, tương tự quá trình khử nitrate, không xảy ra ởđộng vật.
Sản phẩm đầu tiên của sự khử sulfate là aminoacid chứa S, cysteine. Nó cung cấp S cho tổng hợp những aminoacid quan trọng chứa S khác: methionine. Quá trình phản ứng chỉ ra ở hình 7.13.
1. Phosphohomoserine, một hợp chất tương tự như serine, phản ứng với cysteine để tạo thành cystathionine và tách ra phosphate vô cơ
2. Cystathionine được tách ra thành serine và homocysteine bằng phản ứng thuỷ phân
3. Nhờ có chất cho nhóm CH3 nguyên tử H của nhóm SH của homocysteine (chất này giống cysteine) được thay thế bằng 1 nhóm methyl. Methionine được tạo thành.
Hình 7.13 Tổng hợp methionine 7.6 Quá trình khử nitrate
Những nguyên tố cơ bản của carbohydrate và lipid là C, H và O. Ngoài ra còn có các nguyên tố S và P, ví dụ trong phospholipid và sulfolipid, nhưng chúng không phải là các nguyên tố cơ bản. Trong protein và nucleic acid, N là nguyên tố không thể thiếu được. Trước khi đề
cập kỷ hơn trao đổi chất của chúng, chúng ta cần tìm hiểu các đại phân tử, các chất trao đổi, các chất hữu cơ có trọng lượng phân tử thấp được tạo nên từ các chất vô cơ như thế nào. Sơ đồ sau đây đưa ra 4 “con đường phản ứng”: tổng hợp polysaccharid, lipid, protein và nucleic acid.
Polysaccharid, lipid, protein và nucleic acid có khả năng tạo nên những phức hợp lớn là những thành phần của tế bào như thành tế bào, màng tế
bào, enzyme và ribosome.
Thực vật và một số sinh vật tiền nhân có khả năng tổng hợp những phân tử hữu cơ từ những chất vô cơ nghèo năng lượng. Cũng như vậy đối với sự cốđịnh nitơ vô cơ. H2O- Phospho- glyxerate Oxaloacetate Mono- saccharide Poly- saccharide Thành tế bào CO2 Acetate
Malonate Glycerine Acid béo Lipid Màng sinh học N2
NH3 Axit α-oxoacid Aminoacid Protein Enzyme Tbào ế NO3- Ribose
Carbamyl- phosphate
Nucleotide Nucleic acid Ribosome Các hợp
chất vô cơ Hợp chgian ất trung Đơn phân phân tHợp chửất cao Các đại phân tkết hử ợp
MG: 50 - 250 MG: 100 - 300 MG: 103 - 108 MG: 106 - 109 Nitơ ở dạng NH3, NO3- và một phần ở dạng N2 có thể được đồng hoá. Sự đồng hoá trực tiếp thực chất là sự kết hợp NH3 với một phân tử
hữu cơ. Nitrate và N2 trước hết được chuyển sang NH3. Hai quá trình này sẽđược đề cập ở phần sau đây.
Quá trình khử nitrate và nitrite là chuyển NO3- thành NH3 qua NO2-,
được xúc tác bởi 2 enzyme khác nhau là nitratreductase và nitritreductase. Nitratreductase là 1 enzyme phổ biến trong vi khuẩn, nấm, thực vật bậc cao và thực vật bậc thấp. Ở những nhóm sinh vật khác nhau thì enzyme này có những đặc tính khác nhau. Chức năng chủ yếu là khử NO3- thành NO2-. Nhóm prosthetic của enzyme này ở thực vật bậc cao là FAD, cytochrome b và Mo. Trình tự phản ứng có phần tương tự chuỗi enzyme hô hấp, được biểu diễn ở trong hình 7.14. NADH, ở một số loài sinh vật là NADPH chuyển e- đến FAD, tạo thành FADH2, sau đó điện tử này được chuyển đến cytochrome b, cytochrome b ở trạng thái khử, khử Mo6+ thành Mo4+. Mo4+ có khả năng kéo 1 nguyên tử O của NO3- và khửđể tạo thành NO2-. Oxy ở dạng khử phản ứng trực tiếp với proton để tạo thành H2O.
Trong sơ đồ 2H+ được giải phóng ra trong quá trình oxy hoá khử giữa FADH2 và cytochrome b (hình 7.14).
Tổng quát: NAD(P)H + H + NO3- → NO2- + H2O + NAD(P)+
Hình 7.14 Trình tự phản ứng của nitratreductase
Enzyme này định vị trong tế bào chất và dạng khử của nó được tạo nên từ quá trình đường phân (khử aldehydphosphoglyxeric thành phosphoglyxeric acid), ở thực vật C4 bằng sự oxy hoá malate thành oxaloacetate. Hoạt tính của enzyme nitratreductase bịảnh hưởng mạnh bởi ánh sáng, nguyên nhân là do chất khử của nitratreductase được giải phóng trực tiếp từ lục lạp. Ở đây lục lạp tiếp nhận oxaloacetate hoặc phosphoglyxerate, trong quá trình quang hợp được khử thành malate và aldehydphosphoglyxeric. Hai chất này được đưa ra lại tế bào chất. Ở đây chúng bị oxy hoá có sự tham gia của NAD+để tạo thành NADH. Cơ chế
này đặc biệt có ý nghĩa ở thực vật C4, vì ở chúng một lượng đáng kể chất khửđược tạo thành từ malate đi ra từ lục lạp.
Hoạt tính của enzyme nitratreductase bịảnh hưởng bởi các chất khác nhau. Nitrate hoạt hoá mạnh mẽ, ngược lại NH4+ và các aminoacid kìm hãm enzyme này. Enzyme này có nửa thời gian tồn tại là một số giờ, vì vậy nó phải luôn luôn được tổng hợp mới. Sự tổng hợp này phụ thuộc vào cường độ ánh sáng.
Bên cạnh nitratreductase đồng hoá nhưđã nêu trên, người ta còn biết một loại nitratreductase hô hấp. Loại này có mặt chủ yếu trong vi sinh vật và được tạo nên đặc biệt trong điều kiện yếm khí. Chức năng của nó là khi không có O2, điện tử bắt nguồn từ chuỗi enzyme hô hấp kết hợp với nguyên tử O của NO3-. Trong trường hợp này NO3- thay thế nguyên tử oxy trong chuỗi hô hấp. Nitratreductase hô hấp này gắn chặt với màng và cùng tồn tại với cytochrome, bị ức chế bởi O2. Ngược với nitratreductase đồng hoá không kết hợp và mẫn cảm với O2, nitratreductase hô hấp là 1 enzyme xúc tác quá trình phản nitrate hoá . Phản nitrate hoá được hiểu là khử NO3-
cho tới N2O và N2. Quá trình này xảy ra chủ yếu trong đất, nước trong
điều kiện yếm khí và có vai trò quan trọng trong tự nhiên. Sự khử NO3- theo kiểu hô hấp tạo thành NO2- xảy ra trong hệ thống tiêu hoá người và
động vật.
NO2-được tạo ra nhờ enzyme nitratreductase trong tế bào chất của tế bào thực vật là 1 anion của 1 acid yếu. Vì vậy một phần NO2- tạo nên
được proton hoá và thể hiện ở cân bằng phương trình sau: NO2- + HOH HNO2 + OH-
NO2- khó đi qua màng ngoài của ty thể và lạp thể, tuy nhiên dễ dàng
đối với HNO2. Lục lạp và ty thể tiếp nhận chủ yếu HNO2 và như vậy đã làm cho tế bào chất bị kiềm hoá. Sự kiềm hoá này làm tăng sự tổng hợp các anion hữu cơ.
Trong ty thể xảy ra sự khử HNO2 thành NH3. Enzyme nitritreductase gồm 1 chuỗi polypeptide với 1 siroheme (cùng tồn tại Fe và S) và một phức hệ 4 nguyên tử Fe-S.
Trình tự phản ứng của nitritreductase được chỉ ra trong hình 7.15. Trong lục lạp chất khử trực tiếp là ferredoxin. Ở đây có một sự kết hợp chặt chẽ giữa quang hợp và khử nitrate.
Phản ứng xảy ra như sau:
HNO2 + 2e- + 2H+ → NH3 + O2
Trong những cơ quan thực vật không có màu xanh, ví dụ như rễ cây, NO2- cũng được khửđến NH3. Một thời gian dài quá trình này đã không
được giải thích, vì ở những bộ phận không có màu xanh, đặc biệt là rễ cây không có ferredoxin, cho đến khi những kết quả mới chỉ ra rằng, trong ty thể của rễ có 1 ferredoxin tương tự hệ thống oxy hoá khử có khả năng khử
HNO2 thành NH3. Hệ thống khử này chứa chất khử là NADH hoặc NADPH.