6.7. HOÁ SINH HÔ HẤP
6.7.2. Cỏc ủường hướng chuyển hoỏ của pyruvate
Pyruvate, sản phẩm của ủường phõn, là một ủiểm nối quan trọng trong sự chuyển hoỏ carbohydrate. Tuỳ thuộc vào loài, ủiều kiện của cơ thể sinh vật và sự cú mặt của cỏc hệ enzyme khỏc nhau, pyruvate cú thểủược chuyển hoỏ theo những ủường hướng khỏc nhau.
Sự chuyển hoỏ glucose trong ủiều kiện yếm khớ (lờn men) và trong ủiều kiện hiếu khớ giống nhau cho ủến giai ủoạn tạo thành pyruvate. Trong ủiều kiện yếm khớ, tựy loài sinh vật, từ pyruvate cú thể cho ra cỏc sản phẩm khỏc nhau. Khi mụ bào ủược cung cấp ủầy ủủ ụxy (hiếu khớ), pyruvate tạo thành sẽ vào ty thể, chuyển thành acetyl.CoA và cú thểủược ụxy hoỏ triệt ủể trong chu trỡnh citric acid.
a. Trong ủiều kiện yếm khớ (khụng cú ụxy)
Pyruvate sẽ tham gia vào các quá trình lên men khác nhau, tuỳ thuộc sự có mặt của các hệ enzyme thích hợp.
Hình 6-35. Sự chuyển hoá của pyruvate
* Lờn men lactate: Trong cơ vận ủộng tớch cực, trong vi khuẩn sinh lactate, NADH tạo thành (ở phản ứng ụxy hoỏ GAP) trong quỏ trỡnh ủường phõn khụng thể bị ụxy hoỏ trở lại bằng ụxy. NAD+ủược tỏi tạo từ NADH nhờ sự khử pyruvate thành lactate:
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Giỏo trỡnh Hoỏ sinh ủại cương...……… …… 139 Lactate, hỡnh thành bởi cỏc cơ vận ủộng của ủộng vật cú xương sống, cú thểủược mỏu vận chuyển về gan ủể biến ủổi trở lại thành glucose. Nhiều vi khuẩn lờn men glucose và cỏc hexose khác thành lactate. Ví dụ: Lactobacilli và Streoptococci lên men lactose trong sữa thành lactic acid. Lactate và H+ trong hỗn hợp lên men làm pH giảm, làm biến tính casein và cỏc protein khỏc của sữa và làm chỳng bị kết tủa. Dưới cỏc ủiều kiện nhất ủịnh, chỳng bịủụng lại thành phomát (cheese) hoặc sữa chua (yogurt), tuỳ thuộc vào loài vi khuẩn lên men. Sự lên men lactate cũng xảy ra khi muối dưa, muối cà và ủ chua thức ăn cho gia súc.
* Lờn men rượu etylic: xảy ra khi sản xuất rượu, bia, lờn men bỏnh mỡ, ... Glucose ủược biến thành pyruvate nhờ ủường phõn, rồi pyruvate ủược biến thành ethanol và CO2 qua hai bước:
- Bước 1: Pyruvate bị khử carboxyl nhờ pyruvate decarboxylase tạo thành acetaldehyde.
- Bước 2: Acetaldehyde bị khử thành ethanol nhờ NADH (có nguồn gốc từ phản ứng thứ 6 của ủường phõn) và enzyme alcol dehydrogenase.
Phương trỡnh tổng quỏt của sự lờn men rượu cú thểủược viết như sau:
Glucose + 2ADP +2Pi → 2 Ethanol+ 2CO2 + 2ATP + 2H2O b. Trong ủiều kiện hiếu khớ (cú ụxy)
Pyruvate sẽ bị khử carboxyl ụxy hoỏ thành acetyl.CoA (acetic acid hoạt ủộng); chất này cú thểủi vào chu trỡnh citric acid và bị ụxy hoỏ thành CO2 và nước.
NADH tạo thành do sự ụxy hoỏ GAP (từ phản ứng thứ 6 của ủường phõn) sẽ ủi vào chuỗi hụ hấp và NAD+ủược tỏi tạo lại khi ủiện tử của nú ủược chuyển ủến ụxy.
Hình 6-36. Sự khử carboxyl ôxy hoá của pyruvate thành acetyl.CoA
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Giỏo trỡnh Hoỏ sinh ủại cương...……… …… 140 Sự khử carboxyl ôxy hoá của pyruvate thành acetyl.CoA xảy ra trong chất nền (matrix) ty thể, là cầu nối giữa ủường phõn và chu trỡnh citric acid. Quỏ trỡnh này ủược tổ hợp pyruvate dehydrogenase xỳc tỏc. Tổ hợp này cú 3 enzyme và 5 cofactor hoạt ủộng liờn hoàn với nhau;
chuỗi phản ứng gồm 5 bước (Hình 6-36).
c. Sự tổng hợp các chất hữu cơ từ pyruvate
Pyruvate là mắt xích quan trọng trong sự chuyển hoá carbohydrate và protein; có thể là tiền chất ủể tạo nờn amino acid là alanine. Thụng qua phản ứng chuyển amin, nhúm amin từ alanine có thể làm hình thành nên các amino acid khác, rồi từ chúng thành protein (Xem chương 5).
Từ pyruvate cú thể tạo ra acetyl.CoA, là nguyờn liệu ủể tổng hợp cỏc acid bộo và lipid.
ðặc biệt, trong những ủiều kiện nhất ủịnh, pyruvate cũn là nguyờn liệu tổng hợp carbohydrate, trước hết là glucose. Sự biến ủổi pyruvate thành glucose là một ủường hướng tõn tạo ủường – gluconeogenesis (Hỡnh 6.37).
Cần lưu ý rằng, gluconeogenesis khụng phải là sựủi ngược lại của ủường phõn. Trong gluconeogenesis, các phản ứng ngược lại xảy ra theo các bước mới:
- Từ pyruvate tạo ra phosphoenolpyruvate (PEP) nhờ 2 phản ứng thu năng lượng:
Pyruvate + HCO3- + ATP + H2O → Oxaloacetate + ADP + Pi
Enzyme xúc tác phản ứng trên là pyruvate carboxylase, cần coenzyme là dẫn xuất của biotin. Sau ủú oxaloacetate chuyển thành PEP nhờ enzyme xỳc tỏc là PEP- carboxykinase:
Oxaloacetate + GTP → Phosphoenolpyruvate + GDP + CO2
- Fructose-6-phosphate ủược tạo ra từ fructose-1,6-bisphosphate, nhờ sự thuỷ phõn của enzyme fructose-1,6-bisphosphatase:
Fructose-1,6-bisphosphate + H2O → Fructose -6-phosphate + Pi
- Glucose ủược hỡnh thành nhờ sự thuỷ phõn của glucose-6-phosphatase:
Glucose-6-phosphate + H2O → Glucose + Pi
Gluconeogenesis là quỏ trỡnh ủũi hỏi nhiều năng lượng, nhưng thật cần thiết:
2 Pyruvate +4ATP +2GTP +2NADH +2H++4H2O → glucose +4ADP + 2GDP +6Pi +2NAD+ Sự khỏc nhau về enzyme của 2 quỏ trỡnh ủường phõn và tõn tạo ủường ủược ủưa ra ở bảng 6.1.
Bảng 6-1. Sự khỏc nhau về enzyme của 2 quỏ trỡnh ủương phõn và tõn tạo ủường ðường phõn (Glycolysis) Tõn tạo ủường (Gluconeogenesis)
Hexokinase Glucose-6-phosphate
Phosphofructose kinase Fructose-1,6- bisphosphatase
Pyruvate kinase Pyruvate carboxylase
Phosphoenolpyruvate carboxykinase
Như vậy, chỳng ta thấy pyruvate là tiền chất ủể tổng hợp nờn nhiều chất hữu cơ khỏc nhau. Cú thể coi ủõy là ủiểm gặp gỡ của nhiều quỏ trỡnh trao ủổi chất.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Giỏo trỡnh Hoỏ sinh ủại cương...……… …… 141 Hỡnh 6-37. ðường phõn (glycolysis) và tõn tạo ủường (gluconeogenesis)