Báo cáo hóa sinh các con đường sinh tổng hợp acid amin ở vi sinh vật

Báo cáo hóa sinh các con đường sinh tổng hợp acid amin ở vi sinh vật

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ACID AMIN 4

1.1 Công thức cấu tạo 4

1.2 Phân loại 6

1.2.1 Dựa vào cấu tạo hóa học chia thành một số nhóm lớn sau: 6

1.2.2 Dựa vào cấu trúc, acid amin được chia ra làm 3 nhóm lớn : 7

1.3 Các con đường tổng hợp acid amin 8

1.3.1.Sinh tổng hợp acid amin bằng phản ứng amin hóa trực tiếp 8

1.3.2.Sinh tổng hợp acid amin bằng phản ứng chuyển amin 10

CHƯƠNG 2: CÁC CON ĐƯỜNG SINH TỔNG HỢP ACID AMIN Ở VI SINH VẬT 13

2.1 Từ α – ketoacid 14

2.1.1 Từ α – ketoglutarate 14

2.1.1.1 Glutamate / Glutamine 14

2.1.1.2 Proline 17

2.1.1.3 Arginine 20

2.1.2 Từ oxaloacetate 21

2.1.2.1 Aspatate/ Asparagine 21

2.1.2.2 Methionine 24

2.1.2.3 Threonine 25

2.1.2.4 Lysine 25

2.1.3 Từ pyruvat 29

2.1.3.1 Alanine 29

2.1.3.2 Valine và Leusine 29

2.1.3.4 Isoleusine 32

2.2 Từ phosphoglycerate 33

2.2.1.Serine 33

2.2.3 Cystein 42

2.3 Các amin thơm 44

2.3.1 Tổng hợp ra tiền chất trung gian Chosrimate 47

2.3.2 Sinh tổng hợp Phenylalanine và Tyrosine 49

2.3.3 Sinh tổng hợp Tryptophan 50

2.4 Histidine 52

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

MỞ ĐẦU

Sự sống là một quá trình trao đổi chất liên tục Quá trình trao đổi chất là quá trình đổi mới thành phần cơ thể bằng cách thu nhận các chất dinh dưỡng từ thức ăn, nước uống và cơ thể để thực hiện một quá trình sinh lý, sinh hóa phức tạp sau đó đào thải các chất cặn bã ra ngoài Thông qua quá trình này, cơ thể lớn lên, sinh sản để duy trì nòi giống cuối cùng là già cỗi rồi chết đi Đó là quá trình sinh dưỡng bình thường của cơ thể sống, có rất nhiều các chất tham gia vào quá trình này trong đó một thành phần không thể thiếu đó là protein Có thể nói protein là thành phần rất quan trọng của cơ thể, protein có mặt trong nhân, nguyên sinh chất, màng tế bào, huyết tương, dịch gian bào

Acid amin là cấu tử cơ bản của protein, hay nói một cách khác, acid amin là những viên gạch để xây nên các tòa lâu đài muôn hình nghìn vẻ của phân tử protein

Vì vậy vai trò acid amin rất quan trọng, luôn là đối tượng con người nghiên cứu để tổng hợp mà đặc biệt là các acid amin không thay thế

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ACID AMIN 1.1 Công thức cấu tạo

Acid amin là những hợp chất hữu cơ mạch thẳng hoặc mạch vòng trong phân tử

có chứa ít nhất một nhóm amin (-NH2) và một nhóm cacboxyl (-COOH)

Hiện nay, có khoảng hơn 100 loại acid amin đã được con người tìm thấy trong tự nhiên hay tổng hợp được Tuy nhiên trong số này chỉ có khoảng 20 loạiacid amin là được cơ thể sử dụng để tổng hợp protein Trong đó gồm acid amin thiết yếu và acid amin không thiết yếu

Con người và nhiều loài động vật khác chỉ có thể tự tổng hợp được 10 loại acid amin, chúng được gọi là các acid amin không thiết yếu (Non-essential), 10 acid amin còn lại cơ thể không tự tổng hợp được mà phải hấp thụ từ thực vật và động vật qua con đường thức ăn, chúng được gọi là những acid amin thiết yếu (Essential) Khi thiếu, thậm chí chỉ một trong các acid amin cần thiết có thể làm cho protein được tổng hợp ít hơn protein bị phân giải, kết quả là cân bằng nitơ âm Các acid amin cần thiết đối với cơ thể còn tùy thuộc vào điều kiện riêng biệt vào loài động vật, lứa tuổi…Theo nhiều tài liệu có tám acid amin cần thiết cho người lớn valine, leucine, isoleucine, methionine, treonine, phenylalanine, triptophan và lysine Đối với trẻ em có thêm hai acid amin cần thiết : arginine và histidine

Hàm lượng các acid amin không thay thế và tỷ lệ giữa chúng trong phân tử protein là một tiêu chuẩn quan trọng để đánh giá chất lượng protein

Các acid amin thường gặp trong các protein trong tự nhiên là những L – α acid amin có nhóm amin đính vào nguyên tử cacbon α đứng cạnh nhóm cacboxyl

Bảng 1.1: Các acid amin thiết yếu và không thiết yếu

1.2 Phân loại

1.2.1 Dựa vào cấu tạo hóa học chia thành một số nhóm lớn sau:

a Nonpolar aminoacid

* Glycine, Alanine, Valine, Leucine, Isoleucine

* Phenylalanine, Tryptophane, Methionine

* Proline, Cysteine

b Polar aminoacid (neutral)

* Asparagine, Glutamine, Serine

* Threonine, Tyrosine

c Basic amino acids

* Histidine, Lysine, Arginine

d Acidic amino acids

* Aspartate

Glutamate

Hình 1.1: Phân loại acid amin dựa vào cấu tạo hóa học

1.2.2 Dựa vào cấu trúc, acid amin được chia ra làm 3 nhóm lớn :

 Acid amin mạch thẳng (glycine, alanine, leucine, iosleucine, valine, threonine, aspartate, asparagine, glutamate, glutamine, lysine, arginine, methionine, serine,

 Amino acid vòng thơm (phenylalanine, tyrosine)

 Amino acid dị vòng (tryptophan, histidine, proline)

Có thể tổng hợp các acid amin bằng phương pháp hóa học, phương pháp lên men hoặc bằng phương pháp kết hợp hóa học và vi sinh vật Tuy nhiên phương pháp hóa học thường là đắt và không định hướng được: các acid amin tổng hợp được chứa cả hai dạng D và L Phương pháp kinh tế và triển vọng hơn cả là sinh tổng hợp hay là tổng hợp bằng phương pháp lên men

1.3 Các con đường tổng hợp acid amin

1.3.1.Sinh tổng hợp acid amin bằng phản ứng amin hóa trực tiếp

Sự amin hóa trực tiếp các acid hữu cơ chưa no là một phản ứng ít gặp và chủ yếu chỉ có ở thực vật và vi khuẩn Các chất tiền thân để amin hóa như acid fumaric, acid piruvic, acid oxaloacetic… là những sản phẩm trung gian vốn được tạo nên trong chu trình Krebs

Acid fumaric, dưới tác dụng của enzyme aspartat – amoniac – liza tạo nên acid aspartic:

Phản ứng ra qua hai giai đoạn: kết hợp amoniac vào cetoacid để tạo ra acid imin

và khử acid imin thành acid amin

Chẳng hạn:

Hoặc

như:

Về nguyên tắc, sự amin hóa có thể tiến hành đối với bất kỳ một cetoacid nào Tuy nhiên hoạt tính của tất cả các dehydrogenase tự nhiên của các acid amin, trừ các glutamatdehydrogenase và alanindehydrogenase đều không đáng kể Vì thế sự tổng hợp các acid amin bằng amin hóa các cetoacid là không có ý nghĩa thực tế

Các acid amin: aspartic, alanine, glutamic là những acid amin sơ cấp Sự sinh tổng hợp bằng phản ứng amin hóa trực tiếp này gọi là sinh tổng hợp sơ cấp các acid

amin

1.3.2.Sinh tổng hợp acid amin bằng phản ứng chuyển amin

Phản ứng chuyển amin cũng là một đường hướng sinh tổng hợp các acid amin ở

vi sinh vật Phản ứng chuyển amin có thể biểu diễn dưới dạng tổng quát như sau:

Phản ứng chuyển amin được xúc tác bởi enzyme aminotransferase Aminotransferase là enzyme hai cấu tử có nhóm ngoại là phosphopiridoxal (este phosphorid của vitamin B6)

 Cơ chế phản ứng như sau:

Đầu tiên nhóm ngoại của enzyme sẽ kết hợp với nhóm amin của acid amin 1 ở nhóm aldehid của phosphopiridoxal

2

+ +

R1– CH – COOH

NH2

R2 – CH – COOH NH2

Tiếp đó phức hợp cơ chất enzyme chịu sự hỗ biến:

Phức hợp bị thủy phân để giải phóng ra cetoacid 1 và enzyme:

Đến lượt enzyme lại tương tác với cetoacid 2:

P

N

CH2O H3C

HO

Protein

CH2 – N = C

COOH R1

P

N

CH2O H3C

HO

Protein R1 – C = O

Protein

P

N

CH2O H3C

HO

CH2 – N = C – COOH

R2

- H2O H2O

HO

R2

CH = N – CH – COOH cetoacid 1

Cuối cùng acid amin 2 và enzym ở trạng thái đầu được hình thành do kết quả thủy phân phức hợp cơ chất – enzym vừa tạo thành:

Cần chú ý rằng phản ứng chuyển amin khi không có enzym xúc tác, cũng sẽ tiến hành được trong điều kiện nhiệt độ 1000C, pH từ 3,8, có ion kim loại và piridoxal tham gia

Protein

N

CH2O H3C

enzyme ở trạng thái ban đầu acidamin 2

CHƯƠNG 2: CÁC CON ĐƯỜNG SINH TỔNG HỢP ACID

AMIN Ở VI SINH VẬT

SƠ ĐỒ CHUYỂN HÓA CÁC ACID AMIN Ở VI SINH VẬT

C C COOH

số acid amin khác nhau như glutamine, proline và arginine Glutamic acid là dạng proton của glutamate

Enzyme glutamatdehydrogenase xúc tác cho sự tân tạo ra acid glutamic từ  - ketoglutarate và ammoniac khi có sự tham gia của coenzyme NAD.H2 hoặc NADP.H2 Enzyme này rất phổ biến trong hệ thống sống NADP.H2 (dạng khử) thường được sử dụng trong các trường hợp khi mà glutamatdehydrogenase có chức năng như một tác nhân sinh tổng hợp, còn NAD.H2 (dạng khử) được sử dụng trong các trường hợp khi enzyme này hoàn thành chức năng dị hoá

glutamatdehydrogenase

NAPH + H+ NADP+C

alpha-ketoglutarate

+ NH4+

H2O

H2C

H2

C COO-

N

H2C

H2

C COO-

NH3

H

glutamate Điều quan trọng là, trong quá trình chuyển hydro đã tạo ra cấu trúc lập thể tại vị trí carbon α Enzyme glutamatedehydrogenase liên kết với α-ketoglutarate, làm cho hydro chỉ chuyển vào vị trí riêng biệt, do đó trong phản ứng này chỉ tạo nên L-glutamate

Một ion amoni khác sẽ kết hợp với glutamate dưới tác dụng của enzyme glutamine synthetase để hình thành nên glutamine Phản ứng này được thực hiện bởi năng lượng của ATP

Qúa trình sinh tổng hợp glutamine đóng vai trò rat quan trọng trong việc điều

khiển các quá trình trao đổi chất Các enzyme glutamate dehydrogenase và

glutamine synthetase đều được tìm thấy trong các sinh vật sống

Glutamate cũng có thể được tạo thành từ glutamine

C

CH2

CH2COO-

COO

CH2

CH2COO-

2.1.1.2 Proline

Hình 2.1 : Cấu trúc của Proline

Proline khác với tất cả các amino acid khác ở chỗ nhóm amin bậc 1 ở vị trí kết hợp với mạch bên tạo thành vòng pyrrolidine, do đó proline là một imino acid chứa nhóm amin bậc 2

 Cơ chế sinh tổng hợp proline

Công thức phân tử C5H9NO2

Khối lượng phân tử 115.13 g mol−1

Màu sắc và tính hút ẩm Tinh thể không màu, hút ẩm

Khả năng hòa tan trong nước Hòa tan

Hình 2.2 Con đường sinh tổng hợp Proline từ Glutamate hoặc Ornithine

Hình2.3 Mối quan hệ giữa vi khuẩn và động vật có vú trong việc sinh tổng hợp

Proline

Hầu hết trong các loài vi khuẩn (như là Escherichia coli, Pseudomonas

aeruginosa and Salmonella typhimurium) proline được tổng hợp từ 1 tiền chất

amino acid L – glutamate, quá trình tổng hợp này gồm 4 bước Đầu tiên dưới tác dụng của enzym glutamate kinase, lấy 1 nhóm phosphoryl từ ATP tạo ra glutamate 5-phosphate Từ đây thực hiện phản ứng khử với sự có mặt của enzym glutamate dehydrogenase, sử dụng 1 NAD(P)H+H+ , nhóm

tức chất này được chuyển thành tiền chất 1-Pyrroline-5-carboxylase (P5C) mà không cần 1 enzym nào Bước cuối cùng P5C với xúc tác của enzym Pyrroline-5-carboxylate reductase (đòi hỏi 1 NAD(P)H+H+) proline được tạo thành

C

CH2

CH2COOH

COOH H HN

C

CH3O

N-acetyl glutamate

CH2

CH2OC

COOH H HN

C

CH3O

P N-acetyl-gama-glutamine phosphate

reductase

CH2

CH2CHO

COOH H HN

C

CH3O

semialdehyde

C

CH3O

N-acetyl-ornithine

N-acetylornithinease

C (CH2)3

COOH H

H2N

NH2orthinine

Orthinine tiếp tục tham gia chu trình Ure tạo thành Arginine

COOH H

H2N

NH C

NH2O

Citrulline

ATP + Aspartate

AMP + PPi

C (CH2)3

COOH H

H2N

NH C

NH2

COOH

CH2H

COOH argininosuccinate

argininosuccinate synthetase

-O

aspartate transaminase C

CH2COO-

COOO

-glutamate oxaloactate aspartate alpha-ketoglutarate

b Asparagine

Asparagine được tạo thành từ aspatate dưới tác dụng của enzyme Asparagine

synthetase

Gồm 2 giai đoạn

 Giai đoạn 1: Hoạt hóa nhóm carboxylate của aspatate bằng ATP tạo nên

aspartyl adenylate intermediate

 Giai đoạn 2: Cặp nucleophile của ammoniac sẽ tấn công vào nhóm carbonyl

đã được hoạt hóa của aspartyl-adenylate

N

N N

NH2

P

O P O O O

O P O

O

O P

O O O

O

N

N N

NH2

C

O

H2C

H C

NH3+C

O

O

N H

H H

AMP

C

O

H2C

H C C O

Trong một quá trình khác, asparagine có thể được tạo ra bởi sự chuyển một

nhóm amin từ glutamine đến aspartate

COO

-+ H3N H

NH2O +

C

CH 2

CH2COO-

COOH

+

O S

cistationine gama-synthetase

NH2

semialdehyde

aspartate-beta-NADPH + H+NADP+

NADPH NADP+

-OH H

L-aspartate semialdehyde

pyruvate

dihydropicolinate synthetase

(S)-2,3-dihydropyridine -2,6-dicarboxylate

tetrahydropyridine -2,6-dicarboxylate

(S)-2,3,4,5- CoA CoA

succinyl- 6-oxoheptanedionate N-succinyl-L-2,6-diaminoheptanedionate

b Quá trình sinh tổng hợp L-Lisine ở nấm men và nấm sợi

CH2

CH2COOH

COOH CH

COOH

C

CH2

CH2COOH

COOH C

COOH H H

HO C

CH2

CH2COOH

COOH C

C

COOH O

COO- H 3 C HC

NH2COO- +

Hình 2.4: Cấu trúc của Valine

Tên khác : 2-amino-3-methylbutanoic acid

Công thức phân tử : C5H11NO2

Khối lượng phân tử : 117.15 g/mol

Không phân cực, kỵ nước

 Leucine

Hình 2.5 Cấu trúc của Leucine

Tên khác : 2-Amino-4-methylpentanoic acid

Hình 2.6 Con đường sinh tổng hợp Valine

Valine và leucine đều đi từ piruvat và cùng chung sản phẩm trung gian là acid α – cetoisovalerianic Phụ thuộc vào tiaminpirophosphat mà piruvat sẽ ngưng tụ với

2 mảnh cacbon để tạo nên acid acetolactic Dưới tác dụng của enzim isomeroreductaza acetooxyacid (enzyme này đòi hỏi phải có mặt Mg2+ và piridinnucleotit dạng khử) acid acetolactic sẽ chuyển vị pinacolic để tạo nên acid α,

β – dihydroxyisovalerate Acid dihydroxyvalerianic này dưới sự xúc tác của enzyme dehydratase của dihydroxyacid sẽ bị mất nước và tạo thành acid α – ketoisovalerianic, sau khi chuyển amin hóa acid này dưới sự có mặt của enzym valine aminotransferase sẽ trực tiếp biến thành valine

Hình 2.7 Con đường sinh tổng hợp Leucine

Acid α – cetoisovalerianic ngưng tụ với acety – ScoA để tạo nên acid α–isopropylmalate Acid này sẽ biến thành aicd β –isopropylmalate nhờ enzym isopropylmalate isomerase Tiếp tục β –isopropylmalate sẽ bị khử cacboxyl hóa bằng cách oxy hóa để tạo thành α –ketoisocaproate, và giải phóng CO Bước cuối

cùng α –ketoisocaproate thực hiện chuyển amin hóa nhờ enzym leucine amonitransferase để tạo thành leucine

2.1.3.4 Isoleusine

Isoleucine là những acid amin có mạch nhánh Isoleucine thì được tạo thành từ treonin Dưới tác dụng của enzym reonindehydratase, treonin bị chuyển hóa thành α – cetobutirat α - cetobutirat sẽ ngưng tụ với “acetaldehid hoạt hóa” (acetaldehid hoạt hóa là nhóm α – oxyetyl của chất α – oxyetyl – 2 – tiaminpirophosphat) để tạo thành acid α – aceto – α – oxybutyric một sản phẩm trung gian then chốt trong việc tổng hợp isoleucine Sự tổng hợp isoleucine từ sản phẩm này tiến hành rất giống sự tổng hợp valine từ acetolactat Hình như, ở giai đoạn cuối cùng trong phản ứng chuyển amin hóa, cả hai phản ứng liên tiếp nhau đều chỉ có cùng một loại enzyme xúc tác Tuy nhiên để tổng hợp valine cả hai transaminase đều được sử dụng, còn để tổng hợp isoleucine thì chỉ có một enzyme được sử dụng Điều đó giải thích hiện tượng là trong thiên nhiên có tồn tại những biến chủng cần isoleucine và không cần valine Cần chú ý rằng isoleucine ức chế hoàn toàn enzyme treonindehydratase (đúng hơn là enzyme treonindezaminase) là enzyme xúc tác phản ứng đầu tiên của chuỗi phản ứng sinh tổng hợp isoleucine Sự kìm hãm treonindehydratase ở đây mang tính chất canh tranh vì ái lực các enzyme vi L – isoleucine lớn hơn với L – treonine 100 lần