Chuyển hóa glucid là các quá trình phân giải các saccharide thành dạng năng lượng để cung cấp cho hoạt động sống của cơ thể. Sau khi saccharide bị phân giải thành các loại đường đơn khác nhau thì tùy vào điều kiện môi trường mà các loại đường đơn này sẽ được phân giải theo các chu trình khác nhau.
4.1. Chu trình EMP
Chu trình EMP được phát hiện vào năm 1933 bởi Embden, Mayerhof và Parnas. Đây là một quá trình phức tạp, được xúc tác bởi nhiều enzyme và không có sự tham gia của oxi (lên men kỵ khí).
Hình 3.8: Sơ đồ chu trình EMP
Sản phẩm lên men theo chu trình AMP đa số là acid lactic. Chỉ một lượng nhỏ pyruvate bị khử carbon để tạo thành acid axetic, etanol, CO2 và aceton. Lượng sản phẩm phụ tạo thành phụ thuộc vào sự có mặt của oxy.
Ứng dụng chu trình EMP - Sản xuất acid lactic
Nguyên liệu dùng để sản xuất acid lactic là: rỉ mật, đường, tinh bột đã được đường hoá. Nồng độ đường sử dụng cho quá trình lên men lactic từ 8 đến 20%. Nếu nguyên liệu là rỉ mật phải làm trong để loại bỏ các hợp chất chứa nitơ.
- Xử lý môi trường ao nuôi
Quá trình lên men lactic xảy ra rất tốt trong môi trường acid, tuy nhiên vi khuẩn lactic không có khả năng chịu được nồng độ acid quá cao. Khi nồng độ acid quá cao sẽ ảnh hưởng đến sự phát triển của vi khuẩn, vì vậy cần phải điều chỉnh độ pH của môi trường từ 6,3 ÷ 6,5. Trong thực tế sản xuất người ta thường xuyên bổ sung vôi tôi hoặc carbonat calci để giữ pH của môi trường không thay đổi. Acid lactic thu được sẽ ở dạng muối calcilactate, được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, ví dụ như làm dung môi cho công nghiệp sản xuất sơn, vecni,
nhuộm và thuộc da... Nhiệt độ tối ưu cho quá trình lên men lactic là 50oC, trong
quá trình lên men lactic có nhiều vi khuẩn tham gia vì vậy sản phẩm thu được
ngoài acid lactic còn có CO2 và một số sản phẩm phụ khác.
Người ta sản xuất acid lactic rồi tinh chế thành acid lactic tinh khiết để ứng dụng vào trong ngành công nghệ thực phẩm, thay thế acid citric trong sản xuất bánh kẹo, đồ hộp…
- Chế biến các sản phẩm sữa
Trong sữa chứa đường, cazein và các loại muối khoáng khác nên là môi trường thuận lợi cho vi sinh vật phát triển. Trong sữa bình thường chứa khá nhiều vi sinh vật (khoảng 300 đến 400 tế bào/1ml), vi sinh vật xâm nhập vào sữa bằng nhiều con đường khác nhau. Để sản xuất các sản phẩm sữa khác nhau người ta dùng các giống vi khuẩn lactic khác nhau. Ứng dụng vi sinh vật vào trong chế biến sữa được biết từ rất lâu.
+ Sản xuất sữa chua: nguyên tắc làm sữa chua là do sự phát triển của vi khuẩn lactic làm pH giảm mạnh, cazein trong sữa bị đông tụ. Sữa từ dạng lỏng chuyển sang dạng keo sệt và có mùi vị thơm ngon. Quá trình làm sữa chua người ta phải sử dụng hai chủng vi khuẩn lactic đồng hình và dị hình. Vi khuẩn
lactic đồng hình lên men nhanh làm giảm pH, vi khuẩn lactic dị hình lên men chậm và tạo thành mùi thơm đặc trưng của sữa chua.
+ Sản xuất phomat: để sản xuất phomat người ta dùng enzyme đông kết thu cazein trong sữa, sau đó tiếp tục cho lên men với nồng độ muối loãng. Tuỳ loại phomat mà trong quá trình ủ chín người ta sử dụng các loài vi sinh vật khác nhau. Các loại vi sinh vật thường được sử dụng để làm chín phomat là: vi khuẩn propionic, nấm mốc…
- Muối chua rau quả
Muối chua rau quả nhằm hai mục đích cơ bản sau đây: bảo quản nguyên liệu và làm tăng giá trị dinh dưỡng, giá trị cảm quan của rau quả. Nguyên tắc để muối chua rau quả là tạo điều kiện để phát triển vi khuẩn lactic đồng thời hạn chế tác dụng của vi khuẩn gây thối rữa. Hiện nay, có rất nhiều sản phẩm rau quả muối chua được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam cũng như trên thế giới.
Thông thường muối chua rau quả người ta sử dụng 3% lượng muối so với rau quả. Nếu nồng độ muối thấp thì rau quả dễ bị thối. Nếu nồng độ muối quá cao thì quá trình lên men chậm, sự tạo thành acid lactic giảm.Tác dụng của một số quá trình cơ bản trong muối chua rau quả.
+ Quá trình phơi nắng: làm giảm lượng nước có trong nguyên liệu.
+ Cho thêm muối, đường: tạo áp suất thẩm thấu, làm nguyên liệu dễ nén chặt, không bị nát và trở nên giòn. Làm tăng nhanh quá trình lên men.
Nhiệt độ thích hợp cho quá trình lên men là 26 ÷ 35oC. Tuy nhiên, ở nhiệt
độ này vi khuẩn butyric có thể phát triển mạnh nên trên thực tế người ta khống
chế ở nhiệt độ trong khoảng 20 ÷ 25oC. Thông thường vi khuẩn lactic chịu được
nhiệt độ thấp hơn so với vi khuẩn khác, vì vậy trong muối chua cần tăng nhanh độ acid để loại trừ khả năng nhiễm của một số loài vi sinh vật khác.
- Ủ chua thức ăn gia súc
Từ lâu người ta đã biết sử dụng quá trình lên men lactic để ủ chua thức ăn gia súc. Nguyên liệu dùng làm thức ăn cho gia súc nếu đem phơi khô sẽ làm giảm 50% giá trị của chúng. Nhưng nếu ta đem ủ chua thì chỉ giảm khoảng 10% giá trị. Đặc biệt bằng phương pháp ủ chua sẽ tăng nhiều chỉ số dinh dưỡng khác
của thức ăn. Một trong những phương pháp phổ biến là ủ chua thức ăn thủ công. Các loại thức ăn gia súc là thực vật được băm nhỏ rồi cho vào vật chứa, cho thêm một ít nước vo gạo. Sau đó ủ kín 1 đến 2 ngày và cho gia súc ăn.
Nhiệt độ thích hợp cho khối ủ là 25 ÷ 30oC. Hiện nay trong quá trình ủ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
chua người ta còn còn cho thêm muối với nồng độ từ 0,1 ÷ 0,5% so với nguyên liệu. Cho thêm muối để làm tăng khả năng trích ly các chất và tăng cường khả năng trao đổi chất của vi sinh vật.
4.2. Chu trình Krebs
Khi mô bào được cung cấp đủ oxi thì quá trình khai thác năng lượng sẽ đi theo quá trình oxi hóa khử với sự tham gia của chuỗi hô hấp (có oxi) và chỉ có đi theo con đường này năng lượng mới được giải phóng một cách triệt để.
Vòng Kreb là cơ chế hóa sinh rất phổ biến trong giới sinh vật hiếu khí dùng để chuyển hóa triệt để các hợp chất hữu cơ cần khai thác năng lượng. Qua vòng này, các sản phẩm trung gian của quá trình phân giải đường, mỡ, amino
acid đều được phân giải thành CO2 và H2O là dạng ban đầu của vòng tuần hoàn
vật chất. Năng lượng tích lũy được giải phóng hoàn toàn và phần lớn được dùng tạo ATP. Đây là vòng chu chuyển lần lượt của ba nhóm acid carbonxylic là acid oxaloaxetic, Acetyl CoA và acid α-xetoglutamic nên được gọi là chu trình acid Xitric carbonxylic hay là chu trình citric (dựa vào sản phẩm đầu tiên được tạo ra). Vòng Kreb xảy ra trong tế bào, chất nền của ty lạp thể.
Bản chất của vòng Kreb là một quá trình oxi hóa khử nhằm khai thác các cặp hydro cao năng hay các cặp điện tử cao năng. Qua quá trình đường phân của tế bào chất thì glucose được chuyển thành pyruvic acid , sau đó chất này được vận chuyển tới màng của ty lạp thể, đến chất nền và được khử carbonxyl hóa – oxi hóa thành Acetyl CoA.
Có thể chia quá trình này ra làm 4 giai đoạn chính:
- Phân giải glucose thành pyruvate (xem quá trình đường phân). - Chuyển hóa pyruvate thành acetyl- CoA.
- Oxi hóa acetyl- CoA thông qua chu trình Krebs (chu trình citric acid). - Oxi hóa các coenzyme khử qua chuổi hô hấp (xem phần khái niệm về sự
trao đổi chất).
Chu trình krebs được tóm tắt theo sơ đồ sau:
Hình 3.9. Chu trình Krebs
Năng lượng khi oxi hóa hoàn toàn một phân tử glucose được tính như sau:
Giai đoạn phản ứng Coenzyme khử
tạo thành
ATP tạo thành - Glucose→glucose 6-phosphate
- Fructose 6-phosphate → fructose 1,6- bisphosphate
- 2 Glyceraldehyde 3-phosphate → 2
-1 ATP -1 ATP + 2 ATP
Đường phân CH3–C–S–CoA
O Acetyl.CoA CH3–C–S–CoA O Acetyl.CoA O HO OH OH CH2OH OH Glucose O HO OH OH CH2OH OH Glucose CH3 C = O COO- Pyruvat CH3 C = O COO- Pyruvat Pyruvat dehyrogenase NADH+H + NAD+ CO2 Aconitase H-CH-COO- HO-C-COO- - H-CH-COO- Citrat H-CH-COO- HO-C-COO- - H-CH-COO- Citrat H-CH-COO- H-C-COO- HO-CH-COO- Isocitrat H-CH-COO- H-C-COO- HO-CH-COO- Isocitrat H-CH-COO- H-C-H- O=C-SCoA Succinyl-CoA H-CH-COO- H-C-H- O=C-SCoA Succinyl-CoA H-CH-COO- H-C-H- COO- Succinat H-CH-COO- H-C-H- COO- Succinat COO- C-H- CH-OO- Fumarat COO- C-H- CH-OO- Fumarat COO- HO-C-H- CH2-COO- Malat COO- HO-C-H- CH2-COO- Malat H-CH-COO- H-C-H- O=CH-COO- -Ketoglutarat H-CH-COO- H-C-H- O=CH-COO- -Ketoglutarat COO- O= C- CH2-COO- Oxaloaxetat COO- O= C- CH2-COO- Oxaloaxetat CoASH Citrate synta se CoASH NAD+ NADH+H+ CO2 Isocitrate dehydrogenase -Ketoglutarate dehydrogenase CoASH NADH+H+ NAD+ CO2 Succinyl-CoA synthetase CoASH GTP GDP+Pi ATP ADP Succinate dehydrogenase FAD FADH2 Fumarase H2O Malate dehydrogenase NAD+ NADH+H + Krebs
1,3-bisphosphoglycerate
- 2 1,3-Bisphosphoglycerate → 2 3- phosphoglycerate
- 2 Phosphoenolpyruvate → 2 pyruvate 2 NADH + H+
+ 2 ATP + 6 ATP - 2 Pyruvate → 2acety-CoA - 2 Isocitrate → 2 α-ketoglutarate - 2 α-Ketoglutarate → 2 succinyl-CoA - 2 Succinyl-CoA → 2 succinate - (hoặc 2 GTP) - 2 Succinate → 2 fumarate - 2 Malate → 2 oxaloacetate 2 NADH 2 NADH 2 NADH 2 FADH2 2 NADH + 6 ATP + 6 ATP + 6 ATP +2 ATP + 4 ATP + 6 ATP Tông cộng 38 ATP
- Ý nghĩa của quá trình đường phân và chu trình Krebs
+ Thông qua chu trình này, phân tử glucose bị oxi hóa hoàn toàn đến CO2
và nước và giải phóng toàn bộ năng lượng, một phần dưới dạng hóa năng trong ATP và một phần dưới dạng nhiệt năng có tác dụng giữ ấm tế bào. Từ ATP có thể tổng hợp nên GTP, XTP, UTP, là nguồn năng lượng cần thiết cho các quá trình sinh tổng hợp các chất khác nhau trong cơ thể.
+ Chu trình tạo ra nhiều Coenzyme khử. Các coenzyme khử ngoài vai trò tạo thành ATP còn dùng để khử các liên kết kép, các nhóm carbonyl, imi trong các phản ứng cần thiết trong tế bào. Chu trình là con đường chung cho sự oxi hóa các nhiên liệu khác nhau trong cơ thể như amino acid, acid béo, đường và hầu hết các phân tử nhiên liệu đi vào chu trình ở dạng acetyl CoA. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ Chu trình còn là nguồn carbon cho các quá trình tổng hợp khác nhau. Ví dụ: Acetyl CoA có thể được dùng để tổng hợp các acid béo, axetoaxetat hoặc
acetyl cholin. CO2 được dùng để tổng hợp ure, tổng hợp mới UMP và trong các
phản ứng carboxyl hóa khác. Một số xetoacid trong chu trình như α –xeto glutarat, oxaloaxetat thường là nguyên liệu để tổng hợp các amino acid như glutamate và Aspatat. Đây là cửa ngõ đề nitơ vô cơ đi vào thế giới hữu cơ, đồng thời cung cấp nguyên liệu để tổng hợp các chất trong mô như từ acid succinyl
CoA có thể được dùng để tổng hợp nhóm Hem của hemoglobin..
Cũng vì vậy, chu trình là mắt xích liên hợp, làm giao điểm của nhiều đường hướng phân giải và tổng hợp các chất khác nhau trong tế bào, đồng thời cũng là đương hướng chính để tổng hợp các hợp chất hữu cơ.
- Sự điều hòa chu trình Kreb
Có 3 enzyme vừa có vai trò xúc tác, vừa có vai trò điều hòa trong chu trinh là enzyme xitrat xintase, Iso citrate dehydrogenase và α –xeto glutarat dehydrogenase.
+ xitrat xintase bị ức chế bởi nồng độ ATP cao, làm giảm tổng hợp citrate + Iso citrate dehydrogenase bị ức chế bởi nồng độ cao của ATP và
NADH; được hoạt hóa bởi ADP, NAD+, và Mg++.
CHƯƠNG IV ENZYME Mục tiêu:
- Nắm vững các kiến thức về cấu tạo, vai trò và hoạt tính xúc tác của enzyme.
- Phân tích được cơ chế tác dụng của các phản ứng do enzyme xúc tác. - Xác định được các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính enzyme.
Nội dung chính: 1. Khái niệm enzyme
Enzyme là những protein có khả năng xúc tác đặc hiệu cho các phản ứng hóa học, là các chất xúc tác sinh học, nhờ có enzyme mà các phản ứng sinh hoá học xảy ra với một tốc độ rất nhanh, chính xác, nhịp nhàng, hiệu quả cao và tiết kiệm năng lượng. Người ta cho rằng enzyme là động cơ đầu tiên để sự sống, biểu hiện bằng các hiện tượng sống.
Enzyme có khả năng xúc tác cho các phản ứng hoá học xảy ra nhanh chóng trong các điều kiện sinh lí bình thường của cơ thể sống và bản thân enzyme không thay đổi khi phản ứng hoàn thành. Chúng thúc đẩy một phản ứng xảy ra mà không có mặt trong sản phẩm cuối cùng. Enzyme có trong nhiều đối tượng sinh học như thực vật, động vật và môi trường nuôi cấy vi sinh vật. Ví dụ:
1 phân tử catalase cần 1 giây để phân giải 1 lượng H2O2 mà 1 phân tử Fe phải
phân giải trong thời gian 300 năm.
Về bản chất, ngoại trừ một nhóm nhỏ RNA có tính xúc tác, tất cả enzyme đều là protein. Tính chất xúc tác phụ thuộc vào cấu tạo của protein. Nếu một enzyme bị biến tính hay phân tách thành những tiểu đơn vị thì hoạt tính xúc tác thường bị mất đi, tương tự khi bản thân protein enzyme bị phân cắt thành những amino acid. Vì vậy, cấu trúc bậc 1, 2, 3, 4 của protein enzyme đóng vai trò trong hoạt tính xúc tác của chúng.
Hoạt động xúc tác của enzyme có tính chọn lọc rất cao, mỗi enzyme chỉ xúc tác cho một sự chuyển hoá nhất định. Tuy nhiên, một số enzyme có tính
Glucose
Tinh bột amilase Mantose mantase
chuyên hoá tương đối, nghĩa là có thể tác dụng lên nhiều cơ chất có cấu trúc gần giống nhau.
Trong tế bào, các enzyme hoạt động theo kiểu dây chuyền, tức là sản phẩm của phản ứng do enzyme trước xúc tác là cơ chất cho phản ứng do enzyme sau tác động. Ví dụ: .
Enzyme, cũng như những protein khác, có trọng lượng phân tử khoảng 12.000 đến hơn 1000.000 dalton. Một số enzyme cấu tạo gồm toàn những phân tử L amino acid liên kết với nhau tạo thành, gọi là enzyme một thành phần. Đa số enzyme là những protein phức tạp gọi là enzyme hai thành phần. Phần không phải protein gọi là nhóm ngoại hay coenzyme (co-factor). Ví dụ các ion, vitamine. Hiện nay, người ta đã biết khoảng hơn 3500 enzyme. Một coenzyme khi kết hợp với các apoenzyme khác nhau (phần protein) thì xúc tác cho quá trình chuyển hóa các chất khác nhau nhưng chúng giống nhau về kiểu phản ứng.
2. Trung tâm hoạt động của enzyme
Khi nghiên cứu về hoạt động của enzyme người ta thấy rằng không phải toàn bộ phân tử enzyme đều tham gia quá trình xúc tác một cách trực tiếp, mà chỉ có những phần nhất định nào đó. Phần nhất định đó là trung tâm hoạt động của enzyme. Tuỳ từng loại enzyme mà trung tâm hoạt động có nhiều hay ít, trung bình từ 1 đến 20 (có khi 100 như cholinesterase) hay gặp nhất là 3 - 4. Tính trung bình cứ một trung tâm tương ứng với trọng lượng phân tử 30.000 - 80.000 dalton.
Trung tâm hoạt động của enzyme được định nghĩa là vị trí tiếp xúc giữa enzyme và cơ chất trên phân tử enzyme, ở đây sẽ trực tiếp xảy ra các phản ứng sinh hoá học.
Từ kết quả nghiên cứu về bản chất hoá học, về cấu trúc trung tâm hoạt động, cơ chế tác động, về trung tâm hoạt động chúng ta nhận thấy trung tâm