Hóa sinh học các chất phân tử lớn trong hệ thống sống

LỜI NÓI ĐẨUCác phân tử lớn Macromolecules protein, acid nucleic, polysacccharidc là những llìành phần chủ yếu cấu tạo nên tế bào và cơ thể sông, giữ vai trò chủ chôt đối với nhiều qưá ir

Công ty cổ phần Sách Đại hiọc - Dạy nghé, Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam giữ quyền công bó tác phẩm

LỜI NÓI ĐẨU

Các phân tử lớn (Macromolecules) protein, acid nucleic, polysacccharidc là những llìành phần chủ yếu cấu tạo nên tế bào và cơ thể sông, giữ vai trò chủ chôt đối với nhiều qưá irình sông như lưu giữ, truyền thông tin di truyền: n h ận và xử là các tín hiộu; xúc tác cho hầu h ế t các p hản ứng hóa học của các quá trình trao đổi chất, bảo vệ, dự trữ vận chuyến, vận dộng

Trong nhữ ng nám gần đây, việc nghiôn cứu Hóa sinh học và đặc biệt là hóa học của các chất phân tử lớn p h á t triển r ấ t nhanh chóng và đạt đưỢc nh iều th à n h tựu lớn, làm sáng Lỏ thêm cơ chô^ p h ân tử của nhiều quá trình sông, quá trìn h bệnh lý; làm cơ sở cho

òự p h á t tiiÊn công nghệ sinh học, phục vụ cho sự p h át triển N ô n g -L âm -N g ư nghiệp, ('hãm sóc sức khỏ(' cộng đồng

Những Lhành tựu nghiên cứu các chất phân tử lớn đã tạo điều kiện cho sự phát Iriổn các ngành khoa học mới như Sinh học hệ thông Mô phỏng sinh học, Nano sinh học Mặt khác, nó cũng giúp p h át triển các phương pháp c h ẩn đoán sớm, nh an h và chính xác, n h ằm n ân g cao châ^t lượng điều trị bệnh, kể cả các bệnh hiểm nghèo

Những kiến thức trìn h bày trong sách này bao gồm nhữ ng vấn đề cơ bản n h ấ t của Hc3a sinh học, có nâng cao, đi sâu và cập n h ật những th à n h tựu mới, đặc biệt là đối với một scí nội dung có tính thòi sự của hoá sinh học Tuy nhiên, do khuôn khô của cuôn sá(‘h có hạn, nêii cũng không Lhẽ trình bày quá chi tiết mọi vâ^n đề

Để tiộn VIỘC tra cứu tên các chất, tôn các enzyme đưỢc viết theo tiếng Anh hoặc ghi chú tiông Aiìh trong ngoặc dơn; cuôi sách còn có phần mục từ (Index)

Sách bao gồm 8 chương

Chương 1 Cấu trúc và chức năng của các Polysaccharide

Cliương 2 Cấu trúc và chức năng của các Acid nuclcic

Chương 3 Cííu trúc và chức nầng của Prolein

Chương 4 Các c h ất xúc tác sinh học

('hiừíng 6 Cịuá Irình phân giải và tổng hớp Saccharide

Chương 7 Quá trìn h p hân giải và lổng hỢp Acid nucleic

Chương 8 Quá trình phân giải và tổng hỢp Protein

Các chương- 1 , 2 3, 4 và 8 do GS TSKH Phạm Thị Trân Châu biên soạn

Các chương 5 và 6 do GS TS Đỗ Ngọc Liên biôn soạn

Chương 7 do TS Nguyễn Huỳnh Minh Quyên biên soạn

Chúng tôi hy vọng sách sẽ phục vụ thiôt thực cho việc học tập của sinh viên, học viên cao học, nghiên cứu sinh thuộc nhiều chuyên ngành khác n h a u và đông đảo bạn đọc quan tâm tới Khoa học sự sông

Các tác giả xin chân th à n h cảm ơn những ý kiến đóng góp của bạn đọc để chúng tôi

có thế sửa chữa, bô sung, hoàn thiện sách phục vụ bạn đọc ngày càrig tôt hơn

Tác giả chủ biên cũng cám ơn Thạc sĩ Nguyễn Minh T hắng đã th iế t k ế tran g bìa và trỢ giúp kỹ th u ậ t trong quá trìn h chuẩn bị bản thảo

Hà Nội, th án g 4 năm 2010

TM các tác giả Chủ biên

GS T SK P h ạ m T h ị T r â n C h â u

MỤC LỤC

Lòi nói đầu 3

Chương ỉ Câ'ư tr ú c và chức n ả n g của các polysaccharide 1.1 Các monomer của polysaccharide: Monosaccharide và các dẫn xuất của chúng 7

1.1.1 Cấu trúc của các monosaccharide 8

1.1.2 Tính chất chung của các monosaccharide 14

1.1.3 Vai trò của các monosaccharide 18

1.2 Oligosaccharide 18

1.2.1 Disaccharide 19

1.2.2 Trisaccharide 20

1.3 Câu trúc và chức náng của các polysaccharide 21

1.3.1 Homopolysaccharide 22

1.3.2 Heteropolysaccharide 28

1.4 Các saccharide liên kết (kết hỢp với peptide, protein, ỉipid) 34

1.4.1 Pi^oteoglycan và peptidogìycan 34

1.4.2 Glycoprotein 40

1.4.3 Glycolipid 46

1.5 Cbức náng sinh bọc và ứng dụng của các pol^^saccharide 47

Chương 2 Qấn trú c và chức n ă n g của acid nucleic 2.1 Khái quát về hai loại acid nucleic 49

2.2 .Các monomer của acid nucleic là nucleotide 50

2.2.1 Base nitrogen (bazơ nitơ): 50

2.2.2 Pentose 51

2.2.3 Cách liên kết giữa các thành phần cấu tạo của mononucleotide 52

2.2.4 Chức nàng chính của các nucleotide 55

2.2.5 Liên kết phosphodiester giữa các nucleotide 56

2.2.6 Cấu trúc của acid deoxyribonucleic (DNA) 57

2.2.7 Cấu trúc và chức năng của acid ribonucỉeic (RNA) 67

2.3 Một sô^ tính chất của acid nucleic 78

2.3.1 Phổ hâp thụ của DNA ở vùng tử ngoại 78

2.3.2 Anh hương của nhiệt độ đến cấu trúc xoắn kép của DNA, sự biến tính và sự hồi phục cấu trúc xoắn kép DNA 79

Chương 3 Cấu tr ú c và chức n á n g của P ro tein Khái quát vể cấu tạo và chức nàng chung của các protein 82

3.1 Các monomer của protein: "amino acid chuẩn" 84

3.1.1 Công thức cấu tạo và phân loại các amino acid chuẩn 84

3.1.2 Tính chất của các amino acid chuẩn 88

3.1.3 Các amino acid là dẫn xuất của các amino acid chuẩn và amino acid không có trong protein nhưng được tìm thấy trong cơ thể sông 91

3.1.4 Các amino acid "không chuẩn" 92

3.2 Liên kết peptide giữa các monomer amino acid của protein 93

3.2.1 Sự tạo thành liên kết peptide 93

3.2.2 Đặc tính của liôn kết peptide: cứng, p h a n g 94

3.3 Một sô^ peptide tự nhiên có vai trò sinh học quan trọng 96

3.4 Protein ! 98

3.4.1 Các liên kết trong phân tử protein, vai trò làm' bền cấu trúc protein 99

3.4.2 Các bậc cấu trúc của phân tử protein 100

Chương 4 Các châ"t xúc tá c sinh học 4.1 Mở đ ầ u 151

4.2 Tóm tắt sự phát triển của nghiên cứu ứng dụng enzyme .153

4.3 Phân loại và đặt tên E 154

4.4 Cấu trúc phân tử enzyme 155

4.4.1 Các bậc cấu trúc và hoạt tính xúc tác của enzyme .155

4.4.2 Các holoenzyme, coenzyme, cofactor 156

4.5 Trung tâm hoạt động của enzyme 160

4.6 Hệ thông nhiều E (multi E) 163

4.7 Enzyme allosteric (E dị lập thể hoặc E điều hoà) 164

4.8 Tính đặc hiệu của E hay tính chuyên hoá (specifícity) của E .165

4.8.1 Khái quát 165

4.8.2 Nguyên tắc lực xúc tác và giải thích tính đặc hiệu của E 169

4.8.3 Động học phản ứng enzyme 175

4.8.4 Điềj -loà noạt độ (;n;;y.ĩie 1S5 Chương 5 N hữ ng n gu y ên lý Năng lượng sinh học 5.1 Năng lượng sinh học và những nguyên lý nhiệt động học 204

5.2 Các tế bào sông cần nguồn năng lượng tự d o 206

5.3 ATP và sự biến đổi náng lượng tự do 207

5.4 Sự biến đổi năng lượng tự do tiêu chuẩn của các phản ứng hoá sinh trong tếbào sông là sựcộng gộp bù trừ 208

5.5 Sự oxy hoá - phosphoryì hoá sinh học 209

Õ.6 Thế năng oxy hoá khử và sự biến đổi năng lượng tự do 209

Chương 6 Qưá tr ìn h p h â n giải và tổ n g hỢp saccharide 6.1 Tiêu hoá saccharide ỏ sinh vật 212

6.2 Sự phân giải polysaccharide và disaccharide 212

6.3 Sự chuyển hoá các monosaccharide và các oligosaccharide 214

6.3.1 Chuyển hoá fructose 214

6.3.2 Chuyển hoá galactose 215

6.3.3 Chuyển hoá mannose 215

6.4 Sự phân giải kỵ khí glucose (glycolysis) 216

6.4.1 Sự phân giải kỵ khí glucose (quá trình đưòng phân) 216

6.4.2 Hiệu quả nàng lượng trong đưòng p h â n 222

6.4.3 Các chức náng khác của con đưòng đường phân 223

6.4.4 Sự chuyển hoá pvruvate trong điều kiện hiếu k h í 223

6.5 Chu trình citrate (chu trình Krebs) 224

6.5.1 Chuyển hoá pyrưvate thành acetyl—CoA (hiếu khí) 224

6.5.2 Các phản ứng chi tiết của con đường đường phân kỵ khí 225

6.5.3 Ý nghĩa của quá trình đường phân và chu trình Krebs 227

6.6 Con đương tân tạo glucose 228

6.6.1 Vai trò của quá trình tân tạo glucose 228

6.6.2 Các giai đoạn của quá trình tân tạo glucose 229

6.6.3 Ý nghĩa của con đưòng tân tạo glucose 231

6.7 Chu trình glyoxylate 232

6.8 Con đường pentose phosphate 233

6.8.1 Cơ chế của chu trình oxy hoá .233

6.8.2 Tổng kết náng lượng 237

6.8.3 Ý nghĩa của chu trình pentose phosphate 237

6.9 Điều hoà trao đổi saccharide 238

6.9.1 Điều hoà đưòng phân bởi nhu cầu ATP 238

6.9.2 Điều hoà enzyme hexokinase 238

6.9.3 Điều hoà phosphofructokinase-l (PFK -1) 238

6.9.4 Điều hoà dị lập thể PFK-1 bởi AMP và ATP 239

6.9.5 Điều hoà PFK- 1 bởi ửuctose 2,6 biphosphate 239

6.9.6 ức chế dị lập thể PFK- 1 bởi citrate 240

6.9.7 Điều hoà pyruvate kinase 240

6.9.8 Điều hoà pyruvate dehydrogenase và đưòng p h â n 241

6.10 Rổl loạn chuyển hoá saccharide 241

6.10.1 Phân loại các rôi loạn chuyển hoá saccharide 241

6.10.2 Rôi loạn tiêu hoá và hấp thu saccharide 241

6.10.3 Rôl loạn tổnghợp và thoái hoá glycogen 242

6.10.4 Rổì loạn chuyển hoá trưng gian saccharide 242

6.10.5 Bệnh tàng gỉucose m áu 242

6.10.6 Bệnh đái tháo đường 243

6.10.7 Bệnh giảm glucose m á u 246

6.10.8 Các biếu hiện bệnh: fructose niệu, galactose niệu, pentose niệu 247

Chương 7 Quá tr ìn h p h â n giải và tổng hỢp acid nucleic 7.1 Sinh tổng hỢp và phân giải nucleotide 248

7.1.1 Tổng hỢp mói các nucleotide purine 249

7.1.2 Tổng hợp mối các nucleotide pyrimidine 251

7.1.3 Các nucleoside monophosphate được chuyển thành nucleoside triphosphate 252

7.1.4 Các ribonucleotide là tiền chất của deoxyribonucleotide 252

7.1.5 Thymidylate có nguồn gôc từ dCDP và dU M P 253

7.1.6 Phân giải purine và pyrimidine 253

7.1.7 Tái sử dụng các base purine và pyrimidine 255

7.1.8 Một sô'tiếp cận liên quan đến trao đổi nucleotide 255

7.2 Trao đổi DNA 256

7.2.1 Sao chép DNA 257

7.2.2 Sửa chữa DNA 259 7.2.3 Tái tổ hợp DNA 260

7.3 Trao đổi RNA 261

7.3.1 Tổng hỢp RNA phụ thuộc DNA (sự phiên mã) 262

7.3.2 Cải biến RNA 265

7.3.3 Tổng hỢp RNA và DNA phụ thuộc RNA 270

Chương 8 Quá tr in h p h â n giải và tổ n g hỢp p ro tein 8.1 Sự phân giải protem thành các amino acid được tiến hành theo các con đường khác nhau 274

8.1.1 Phân giải protein của thức ă n 275

8.1.2 Phân giải protein nội bào trong lysosome 275

8.1.3 Phân giải protein nội bào trong hệ thông proteasome là quá trình phân giải protein phụ thuộc ÁTP (ATP-^ependent proteolysis) 276

8.2 Sự phân giải amino acid 280

8.2.1 Quá trình loại amino 281

8.2.2 Chuyển hoá bộ khung carbon của amino acid 284

8.2.3 Sự loại nhóm carboxyl của amino acid 286

8.3 Sinh tổng hỢp protein .288

8.3.1 Mà di truyền 289

8.3.2 Ribosome 292

8.3.3 Vai trò các phần cấu trúc phân tử tRNA trong quá’ trình tổng hỢp protein 296

8.3.4 Aminoacyl-tRNA synthetase, xúc tác cho quá trình hoạt hoá amino acid, tạo thành aminoacyl-tRNA Enzyme này có vai trò quyết định sự kết hỢp đúng giữa^amino acid và tRNA tương thích của nó 296

8.3.5 Các yếu tô'tham gia vào quá trình tổng hỢp protein 300

8.3.6 Các giai đoạn của quá trình sinh tổng hỢp protein 302

^ d e x 316

Tài liệu tham khảo chính 322

C h ư ơ n g 1

CẤU TRÚC VÀ CHỨC NÃNG CỦA CÁC POLYSACCHARIDE

Saccharide (còn gọi là glucid hoặc carbohydrate) là nhóm c h ấ t h ữ u cơ phổ biên

khá rộng rãi trong cơ th ể sm h vật N hìn chung, lượng sacch arid e ở thực v ậ t cao hơn

động vật

ớ thực vật, saccharide tậ p tr u n g ở th à n h t ế bào thực vật, m.ô n â n g đỡ, mô dự trữ

Tuy nhiên, h à m lượng saccharide th a y đổi n h iều tuỳ loài, tu ỳ giai đoạn sinh trưởng,

p h á t triển củ a thực vật, T rong cơ th ể động v ật và người, sacch arid e tập tr u n g chủ yếu trong gan Trong m áu cơ th ể bình thường, h à m lượng sacch arid e là h ằ n g sô'

1’hực v ật xanh có k h ả n ă n g sử dụng n ă n g lượng á n h sá n g m ặ t trời để tổng hỢp

sa cc h an d e từ c o , và H2O Động vật và ngưòi không có k h ả n ăn g này, vì vậy thực vật là nguồn dinh dưỡng th iế t yếu của động v ật và người.,

Saccharide giữ n h iều vai trò quan trọng trong cơ th ể sông như:

~ Cung cấp năng lượng cho cơ thể, saccharide đảm bảo 60% n ăng lượng cho các quá trình sống,

- Có vai trò cấu trúc tạo h ìn h (cellulose, peptidoglycan, pentose, )

- Có vai trò bảo vệ (mucosaccharide)

- Góp p h ầ n đảm bảo tương tác đặc hiệu của tế bào (polysaccharide tr ê n m àng t ế bào hồng cầu, th à n h t ế bào một số vi sinh vật, )

Saccharide dược cấu tạo từ các nguyên tố c, H, 0 Trong p hân tử của đa số saccharide,

Lỷ lệ 11 và o giống như ở p h â n tử nưóc (C„H2nO„) Vì vậy trước đây saccharide thường dưỢc gọi là carbohydrate, Tuy nhiên, một sô' chất không phải là saccharide cũng có tỷ

lệ giữa 0 và H như trên Ví dụ acid acetic (C2H 4O2), acid lactic (CsHnOa) Vì vậy ngày nay, tên carbohydrate chỉ còn có tín h c h ất lịch sử

Đê’ p h ân loại saccharide, người ta thưòng dựa vào cấu tạo, tín h c h ất của chúng Có một số cách p h â n loại khác n h a u nhưng nói chung đều chia saccharide th à n h 2 nhóm

lớn là monosaccharide và polysaccharide (bao gồm từ 2 gôc monosaccharide trỏ lên), mỗi nhóm này lại chia th à n h các nhóm nhỏ

Trong p h ầ n tiếp theo sẽ lần lượt trìn h bày về m onosaccharide, oligosaccharide (bao gồm cả disaccharide) và polysaccharide (polymer của hơn 10 monomer)

1 1 CÁC MONOMER CỦA POLYSACCHARIDE: Monosaccharide và các dẫn xuất của chúng

Motiosaccharide (Tiếng H y hạp: sakcharon — đường) còn gọi là đường đơn, p h â n

tử có chứa m ột nh ó m aldehyde hoặc ketone và hai hay nhiều nh ó m hydroxy (-0 H )

Các m onosaccharide được p h â n theo b ản c hất hoá học của nhóm carbonyl và số nguyên tử carbon tro n g p h â n tử của chúng Do đó thường p h â n t h à n h h ai nhóm lớn

là aldose (có nhóm carbonyl là aldehyde), ketose (có nhóm carbonyl là ketone) Tuỳ

theo sô nguyên tử carbon tro n g p h â n tử là 3, 4, 5, 6, 7 sẽ có các tên tương ứng là triose, tetrose, pentose, hexose, heptose (bảng 1.1) Cấu trú c hoá học lập thể của các aldose và ketose biểu diễn theo Emil Fischer được tr ìn h bày tr ê n h ìn h 1.1 và 1.2 Từ các m onosaccharide có th ể tạo t h à n h n h iều d ẫn x u ấ t khác n h a u (bảng 1.2, h ìn h 1.3)

là th à n h p h ầ n cấu tạo của nh iêu polymer q u an trọ n g tro n g hệ thông sông

Bảng 1.1 Một số monosaccharide thường gặp

SỐ nguyên tử carbon

1.1.1 Câu trúc của các monosaccharide

Sau đây sẽ trình bày chi tiết hơn về cấu trúc, tính chất của các monosaccharide phổ biến

Monosaccharide đơn giản n h ấ t là triose; glyceraldehyde (aldose) và dihydroxyacetone (ketose) có công thức như sau;

Glyceraldehyde có chứa một carbon b ấ t đối (ký hiệu c*), có hai đồng phân dạng D

và L, còn dihydroxyacetone không chứa carbon b ấ t đối Số lượng carbon bất đối trong

p h â n tử aldose lớn hơn ketose tương ứng Sô đồng p h â n lập th ể của monosaccharide (X) tín h theo công thức X = 2" (n là sô carbon b ấ t đốì trong p h â n tử)

8

Đánh sô" thứ tự nguyên tử carbon trong phân tử monosaccharide b ắt đầu từ nguyên

tử carbon của nhóm carbonyl ở các aldose, hoặc carbon ở đầu gần với nhóm carbonyl của các ketose

Dạng đồng p hân D hoặc L là dạng không gian tuyệt đôi, căn cứ vào vị trí của H và 0?1 ở carbon bất đôi mang sô"* thứ tự lớn nhất (carbon bất đôi ở xa nhóm carbonyl) giông

VỚI D hoặc L - glyceraldehyde Ví dụ, đỗi với hexose, k h i biểu diễn ở dạng thẳng, dạng đồng phân D, nhóm - O H ở C5 ở bên phải, đồng phân L nhóm ~ 0 H này ở bên trái

Các monosaccharide có k h ả năng làm quay mặt phẳng án h sáng phân cực về phía bên phải (ký hiệu dâu "+") hoặc bên trái (ký hiệu dấu

D - và L - glyceraldehyde có th ể trìn h bày ở dạng không gian h ai chiều theo cách của Emil Pischer n h ư sau:

Ta h ìn h dung C“2 ở trên m ặt phẳng giấy, nhóm aldehyde và nhóm hydroxymethyl

ở m ặt sau tò giấy, H và nhóm - O H ở trên tò giấy (gạch đậm)

D"Aldose

C H O

C H 2 O H D-Glyceralduhycie

C H 2 O H D-Erythrose

C H 2 O H

D Threose

C H 2 O H D-Ribose

C H 2 O H D-Arabinose

C H O C H O C H O C H O

C H 2 O H D-Xylose

C H 2 O H D-Lyxose

C H O C H O C H O C H O

1 2 ^ 1 1 V ^ n 2 \ - ^ n v - « n 2 ' - / n \ - n 2 ' w » n C H o O H V ^ n 2 w n V ^ n 2 w n o n 2 ' - ' n

D-Allose D -A ltroseD -G luooseD -M ano.se D 'G uỉose D -ídoscD -G alactose D -Talose

Hình 1.1, Các A ld o s e có từ 3 - 6 nguyên tử c a r b o n

Sắp xếp theo mối liên quan hoá học lập thể giữa chúng (stereochemical reíationshìp)

C H ? O H I

Nhóm -O H ỏ C -2 của ribose thay bằng -H

Oxy hoá nhóm aldehyde -CHO (ở c^) tạo thành ~ COOH.

Oxy hoá cả hai nhóm aidehyd (Ci) và -CH^OH.

Inositol Sorbitol

Khử nhóm carbonyl của monosaccharide tạo thành alcohol Tên gọi thường có đuôi '-ito r.

Acetyl hoá nhóm amin đường

N-acetyl-D-glucosamine kết hợp với acid D-!actic qua liên kết ether.

N-acetyl mannosamine kết hợp với gốc acid pyruvic.

10

Acid Aceric (3-C-carboxy -5-deoxy-

L-Xylose)

Ngoài ra, còn có một sô' monosaccharide không binh thường có trong các 0 -an tig e n

Ví dụ abequose (Abe) có công thức sau:

CH3 - o

Các 0 - a n t i g e n là các polysaccharide không b ình thường, có ở bề m ặ t ngoài của các vi k h u ẩ n G ra m âm

Các d ạng cấu trú c khép vòng phổ biến của pentose và hexose: íu ran o se (vòng 5 cạnh) và pyranose (vòng 6 cạnh)

Ọ11

A

Aldehyde

oc

12

Để đdn giản, n h iều k h i ngưòi ta dù n g mCu tên dể biểu diỗn H và OH: dầu mũi tên ià OH Ví dụ H -C ~ O H biểu diễn là

Khi lạo vòng, ở vị trí C- 1 của glucose hoặc írưctosc có thẽm một nhóm Oli, gọi là

nhóm OH glucoside, các carbon này trơ th àn h carbon b ât đôi tạo tlìànlì cặp diastereoìiier

gọi là anoinor (chỉ khác n h au về dạng không gian ở c~l) N hư vậy, klìi tạo th àn h vòng

đã làm tăng thôm một carbon b ất đôi trong phân tử, do đó có thôm hai đồng phân mới là

a và p, còn gọi là a -a n o m er và j3~anomer (hình 1.4) Gọi là a - n ế u OH -glycoside ở phía

dưới vòng (nghĩa là cùng phía với OfI ở C -5 của hexose này), gọi là [3-n ếu O H - glycoside ở phía trô n vòng (nghĩa là khác phía với OH ỏ C-5) Hai dạng a và p có góc

quay cực riêng khác nhau [a]fy của a-D -g lư co p y ran o se là +112,2'\ còn của P - D -

glucopyranose là +18,7*^ Tuy nhiên, khi hoà ta n một trong hai d ạng vào nước, sau một thòi gian ngắn, góc quay cực của dung dịch đều đ ạt +52.7'" và sau đó không thay đổi nừa quả n^Ỵhiẽn cứu cho thấy, lúc bây giờ trong dung dụ:h có chứa 63% dạng Ị3 và

36% dạng a Dạng chuỗi mở chi' chiếm khoảng 1 % Như vậy khi hoà tan glucosc vào dung dịch đã hình th à n h cân bằng giữa các dạng

Monosaccharide trong p hân tử polysacchande tồn tại ở dạng vòng Vòn<^ pyranose sáu cạnh không phải là p h a n g mà có d ạn g g h ế (chair) hoặc th u y ề n (boat) Các nhóm

th ế được sắp xếp theo trụ c th ẳ n g hoặc theo vị trí n ằ m ngang:

a - (axial) nhóm t h ế xếp theo trụ c t h ẳ n g đứnge“- (equatorial) nhóm t h ế xếp theo vỊ tr í n ằ m ngang

1.1.2, Tính chât chung của các m onosaccharide

Các monosaccharide là những chất không màu, phần lớn có vỊ ngọt Monosaccharidc hoà ta n tôt Irong nước, không hoà ta n trong d u n g môi h ữ u cơ kh ô n g p h â n cực, tan trong dun g dịch cth an o l 80%

Tính châ^t lý học đặc trư n g của các m onosaccharide là tín h q u a n g h o ạ t của chúng, nghĩa là k h ả n ă n g làm quay m ặ t p h a n g á n h s á n g p h â n cực sa n g phải hoặc sang trái Có th ể đo đưỢc góc quay nhò m áy p h â n cực k ế (polarim eter)

fioá tín h q u an trọ n g của các m onosaccharide là n h ữ n g tín h c h ấ t của nhóm chức aldehyde hoặc ketose, điổn h ìn h là tín h khử

a) D ư ớ i tá c d u n g c ủ a c á c c h ấ t o x y h o á ( t u ỳ đ i ề u k i ệ n o x y h o á ) sẽ n h ậ n

đ ư ơ c c á c a c i d k h á c n h a u

+ Khi oxy hoá nhẹ bằng bằng dung dịch íluor, brom, iodine (iôt) trong môi trưòng

14

kiềm hoặc dung dịch kiềm của các ion kim loại, nhóin chức aldehyde của các nionosacchande bị oxy hoá, ion kim loại bị khử th à n h dạng có hoá trị th ấ p hơn hoặc dếiì kim loại tự do (Ví dụ > Cu"^; Ag'*'—> Ag").

Oxy hoá nhẹ -^

H7O, OH

CH2OHD-Glucose

CH2OH Acicl GluconicNôu bảo vộ n h ó m OH glucoside (bằng cách m ethyl hoá hoặc acetyl hoá) trưốc khi oxy hoá nhóm alcohol bậc 1 của monosaccharide, acid đưỢc tạo th à n h gọi là acid Lironic Ví dụ, từ glucose n h ậ n được acid glucuronic; galactose " galacturonic, mannose ~ manuronic, Các acid uro n ic có vai trò sinh học quan trọng

ỉ)(‘carboxyl hoá acid vironic của glưcose sẽ n h ận đưíir các pentOvSe tương ứng Ví

dụ loại carboxyl củ a acid glucuronic tạo th à n h xylose

Khi oxy hoá b ằ n g H N O3 đặc, cả hai nhóm chức aldehycle và alcohol bậc 1 của

m onosaccharide dều bị oxy hoá tạo t h à n h acid có chứa h ai nhóm carboxyl gọi là acid saccharic

Ví dụ; Ribose —> Ribitol ( th à n h p h ầ n của coenzyme ílavin).

Xylose ^ Xylitol (có vị ngọt, được d ù n g tr o n g s ả n x u ấ t gôm "không đưòng" n h ư extraxylitol)

Trong cơ thể sinh vật, dưới tác d ụ n g của enzym e, glucose có th ể bị khử tạo th à n h

polyol vòng gọi là m yo-inositol Inositol n h ư m y o -in sito l là yếu tô^ sin h trương của

các mô thực vật nuôi cấỵ E s te r phosphoric của nó (fitin) là n g u ồ n dự trữ phospho trong hạt

CHO

ÒH20P032-ỢH2OHoH

D-Glyceraldehyde D-Glưcose

CHsOPOấ - oH

d) P h ả n ứ n g c ủ a n h ó m h ỵ d r o x y l g ly c o s ỉd e t ạ o t h à n h các h Ợ p c h ấ t g ly c o sid e

Nhóm hydroxyl glycoside có th ể p h ản ứng vói rưỢu kh an Lạo th à n h e th c r tương

ứn^ KỌI là glycoside Các glycoside được tạo th à n h có th ể là a glycoside hoặc p

sa cc h an d e và aglycone gọi là liên k ết glycoside, Liên k ết glucoside cũng được tạo

th à n h giữa các m o n o sacch arid e để tạo nên các d i-, oligo-, polysaccharide:

(''ó thể p h ân biệt các kiêu liên kết glycoside khác nhau:

- 0~g]ycoside: Gôc aglycone (A) k ê t hỢp với saccharido (X) qua o.

- S-glycosido: Gôc aglycoiìe được k ế t hỢp qua s.

~ N-glycoside: Gôc aglycone đưỢc k ế t hỢp q u a N

- C-glycoside: C arb on của aglycone k ết hỢp với carbon của saccharide

Liên kê't glucoside k h ô n g bền với acid, tương đôl bền VỚI kiềm Dưới tác dụng của acid hoặc các enz,yme tươ ng ứng, glucoside bị thuỷ p h â n tạo th à n h các mono.saccharide và các aglycone

Các ịílucosidc th ư ờ n g có vỊ dắng, mùi thơm đặc biệt, có tác d ụ n g trỢ tim

17

f) P h ả n ứ n g với p h e n y l h y d r a z i n e

Trong n h ữ n g điều kiộn xác định, 1 p h â n tử sa c c h a rid e có th ể p h ả n ứng với 3 phân tử ph en y lh y d razin e tạo th à n h tinh th ể osazone P h ả n ứ n g có th ể viết tóm lắ t như sau:

Ph ản ứng này xảy ra đôi với các sacch arid e có tín h khử Các osazone đưỢc tạo

th àn h có thể khác n h a u về h ình dạng tin h thể, n h iệ t độ nón g chảy Vì vậy có thể căn

cứ vảo tính chất của osazono đê p h ân biệt, n h ậ n biôt các sa c c h a rid e khác nhau Dỗ dàng th ấ y rằng, các m onosaccharide chỉ k h ác n h a u ỏ C- 1 và C- 2 (như glucose, fructose m annose) sẽ tạo th à n h cùng một loại osazone

1.1.3 Vai trò của các m onosaccharide

M onosaccharide là th à n h p h ần cấu tạo q u a n trọ n g củ a n h iề u chấ^t p h â n tử lớn,

có vai trò sinh học q uan trọng

- D-Ribose là t h à n h p h ầ n cấu tạo của acid nucleic, các nucleoside, nucleotide (AMP, ADP, ATP, GTP, UMP, ), các coenzyme của m ột sô^ enzym e oxy hoá khử n h ư NAD", NADP", FMN, FAD, (xem chương 2)

~ Một sô' pentose k h á c n h ư D -a rab in o se , D -x y lo se là t h à n h p h ầ n cấ u tạo c ủa một sô” polysaccharide có trong c h ất gôm thực vật, c h ấ t n ề n (m atrix) của th à n h tế bào, gian bào Một sô" pentose, hexose là n h ữ n g sả n p h ẩ m t r u n g g ian q u a n trọng của nhiều quá trìn h tông hỢp, chuyển hoá các chất Ví dụ n h ư q u á t r ìn h q u an g hỢp,

Xylitol là c h ất đường không lên men, k h ô n g gây h à r á n g (anticariogenic), được dùng trong sản x u ấ t kẹo gôm không sâu răng

Hàm lượng một số^ monosaccharide trong máu, trong nước tiểu là một trong những chỉ tiêu quan trọ n g góp p h ầ n c h ẩn đoán bệrih

1.2 OLIGOSACCHARIDE

Theo định nghĩa thông thường, oligosaccharide bao gồm từ 2 đến không quá 10 gôc monosaccharide Các monosaccharide này k ế t hỢp với n h a u q u a liên k ế t 0-glucoside Oligosaccharide phổ biến n h ấ t là disaccharide

18

1 2 1 D is a c c h a r id e

Do gôc- m onosaccharidc k ết hỢp với n h a u qua liôn k ế t 0 -g lu co sid e , công thức (‘hu!\íí' (‘ủa d i s a c c h a ri d o là C,.Ji.,vOii Tu ỳ t heo cách kc^t hỢp giữa 2 m on osac charide, disaccharido ('ó thô k h ô n ^ có tín h khử Các disaccharide phổ biến là: Lactose;

Ma lto se a (1-4); I s o m a l t o s e a (1-6) isomer; Cellobiosc p (1-4) isomer

a - la c to s e

Mallosc (còn gọi là đương m ạch nha), đưỢc câ^u tạo từ 2 p h â n tử a-D -G lu co se ÌAỜìì kếl ^Hycoside đưỢc tạo t h à n h giữa OH glucoside với OH của C -4 của gôc glucose l.hứ hai Do dó p h â n lử iTiallose vẫn có chứa một nhóm OH glucoside tự do nên vẫn

^'lừ dưỢ(‘ líiih clìat k h ử n h ư n g chỉ b ằ n g m ột n ử a của glucose

Maltose là dường chủ N^ếu của m ạch nha Từ trước người ta vẫn cho r ằ n g maltose tliíỢc lạo I h à n h k h i t h u ỷ p h â n t i n h bột T u y nhi ên, t r o n g thòi gian gầ n đâ y đã xác

n h ạ n ràn g inaltose là t h à n h p h ầ n thường trực (mặc dầu với lượng không nhiều)

t r o n g Iihiổu cơ q u a n c ủ a t h ự c v ậ t b ậ c cao, đ ặ c b iệ t là rễ cây.

Dưới tác d ụ n g của enzyine (m altase), hoặc acid ở n h iệ t độ cao, m altose bị thuỷ phân Ihànlì hai gôc a - D - Glucose

l^actosc là d isa cc h arid e có chứa một gốc P” D Galactose và 1 gốc a-D -G lucose

Hai gôc này k ế t hỢp với n h a u qua liên k ế t glucoside được tạo th à n h giữa OH glucosidc của galactose với OH ở C—4 của glucose Vì vậy lactose v ẫn có tín h khử

liactose còn ^ọi là đưòng sửa vì trước đây người ta chỉ tìm th ấ y nó tro n g sữa

ni^ưòi và dộĩig v ật (5 - 8%) và hầu như không tìm thấy một lượng nào đáng kể ỏ thực

v ậ t và các cờ q u a n k h á c c ủ a đ ộ n g v ậ t.

Tiiy nhiôn, gần đây đã p h á t hiộn đưỢc lactose tro n g hoa của Porsythia suspensa

Hàm lượng lactose tự do troi^g hoa này chiếm khoảng 25% c h ất khô Trong một số^ thực v ật khác cũng tìm th ấ y lactose ở d ạn g liên kết

19

Sucroso (saccharoso) được cấu tạo từ a-D -G lu co so và p~

I)~l^ì'ucloscĩ (C)-íx-D-Glucopyranosyl-{ l-^2)-|3-ỉ>-Fnictop>Tanoside)

Hai m o n o sacch an d e n ày k ết hỢp VỚI n h a u q u a liên k ế t

glucoside dưỢc tạo th à n h giữa hai nhóm OH glucoside cưa

chúng Vì vậy, khác với m altose và lactose, sucrose k h ô n g có

tín h khử Sucrose hoà ta n tôt trong nước, ở 0"C, dộ hoà t a n

là 62% Đặc biệt, trong mía, củ cải đường có khoảng 20 “ 25%

sucrose, vì vậy ch úng dưỢc sử dụng làm ng u y ên liệu để sả n

xuất đường G ần đây, cũng p h á i hiện được m ôt sô"* thư c v â l |_ịQ|_| Q

khác có hàm lượng đưòng k h á cao Hiện nay ngưòi ta cũng

xác định được r à n g sucrose tồn lại VỚI lượng k h ô n g lốn lắm

trong các mô có chứa chlorophyl và thực hiện các chức n ă n g

vận chuyển trong các mô này Sucrose có vai trò q u a n trọ n g

Sucrose dỗ bị thưỷ p h â n hơn các disacch arid c khác Dưới tác dụn g của enzymc (saccharase) h o ặ c acid, surcose bị t h u ỷ p h â n t h à n h glucose v à fructosG, góc quay cực

của dung dịch thay dỏ\ từ phải sang trái Đó lá vì [a] /Ị’ của sưcrose là +66’\ còn fructose

có góc quay trái lớn hơn nhiều so với glucose, [a] của fructose là —92,5'* và của glucose

là +52,5" Hỗn hợp có chứa 50% glucose và 50% fructose đưỢc tạo t h à n h klii th u ỷ phân suci’ose gọi là dường nghịch đảo (in v ert sugar)

Độ n^Ịọt của các mono “ và disaccharide: H ầu h ết các monosaccharide và disaccharide đều có vị ngọt Tuy nhiên, vị ngọt của ch ú n g không giông n h a u , có thổ sắp xôp độ ngọt các m ono- và disaccharide theo thứ tự giảm dần n h ư sau: Kructose, đường nghịch đảo (ivert sugar) sucrose, glucose, glycerin, xylose, m altose và rh am o se, galactosc rồi đến lacLose

1.2.2 Trisaccharide

Trisaccharido là oligosaccharide có chứa 3 gốc m onosaccharidc Trisaccharide phổ biến và được biổ^t rõ hơn cả là raffinose Raffinose được c ấ u t ạ o t ừ 3 mo n os ac ch ar id e là galactose, glưcose, fructose Các nhóm OH glucoside củ a ch ú n g đều th a m gia tạo

th à n h liôn kết glucoside, vì vậy raffinose không có tín h khử

Raffinose[0-a~ D -G alactopyranosyl-(1^6) a-D -G lucopyranosyl-(l—>2)-[3-D-Fructofuranoside]

20

llaíTinoso lần d ầu liôn Lách được từ gỉ đưòng Ihu đưỢc khi sả n x u ât dường từ củ cai dường Về sau ngưòi ta cũng tách dưỢc raffínose từ các thực v ậ t khác như: h ạ t bôn^ lúa mỳ nảy m ầm , lá và quả của m ột sô^ cây khác.

RalTinosc tin h th ể k h ô n g có vị ngọt RaíTinose không bền với nhiột, khi hoà tan

trong nước ở n h i ộ t độ k h ô n g cao, dưói tác d ụ n g của acid dễ d àn g bị th u ỷ p h ân hoàn loàn tạo Ih àn h các m onosaccharide

SUu‘hyoso là mộl te tr a s a c c h a r id e đưỢc cấ^u tạo từ 4 gốc m onosaccharidc, trong đó

có 2 gốc galactose, ] gôc a - D - G lu c o s e và 1 gốc P-D -G lucose Stachyose không có

Lính khử vì tấ t cả các nh ó m OH glucoside đều th a m gia tạo t h à n h liên k ế t gỉucoside

CH- OH - oH

CH,

CHoOHStachyose

|0 - - a - D - G a la c to p y r a n o s y l- ( l >6)~a-D ~G alactopyranosyl-(l >6) - a ~ D -

G lu c o p y ra n o s y l- ( 1 ^ 2 )- P - D - F r u c to f u ra n o s id c ]StachyosG phổ biến ở các cây họ Đ ậu và cũng tìm thâV ở một số' cây khác Nó ihưòng tập tr u n g ở h ạ t, củ, rễ,

Ngoài các oligosaccharide kể trên, còn có các oligosaccharide đưỢc tạo th à n h do các pontose k ê l hỢp với các hexose

1.3 CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA CÁC POLYSACCHARIDE

Polysaccharide là polym er của các monosaccharide, thường có từ hơn 10 (hoặc 15)

gốc iTìonosaccharide (kết hỢp vói n h a u qua các liên kết glỵcoside (liên kôt a - hoặc Ị3“))

tạo t h à n h chuỗi k h ô n g p h â n n h á n h hoặc p h â n n h á n h , có d ạ n g sỢi h a y d ạ n g hạt

Một sô"^ po ly sacch arid e có các m onom er là các d ẫ n x u ấ t của monosaccharide (nhóm OH đưỢc th a y t h ế b ằ n g các nhóm sulfate, phosphate, am ino-acetyl, )

Các polysaccharide có thể khác n h a u vồ th à n h phần cấu tạo (bản chất monomer), số lượn^ các monomer, monosaccharide, kiểu liên kết giữa chúng và mức độ phân nhánh

Pìiãìi loại: Có h ai cách p h â n loại polysaccharide;

- Theo s ố loại m onosaccharide.

- Theo chức n ă n g của các polysaccharide.

Theo cách thứ nhất chia t h à n h 2 nhóm lớn là homopolysaccharỉde và heteropolysaccharide:

• Homopolysaccharide: bao gồm chỉ một loại monomer Tên gọi của loại này dựa theo

tôn gọi của monomer nhưng đổi duôi "-ose" th àn h đuôi "—an" Ví dụ: Homopolysaccharide

21

của glucosc có tôn là glycan; polymor của ửuctose hay galactose có tôn ixỉơng ứn g là írưclan

Các polysaccharide là th à n h phần "nền" ("maLrix") p h ầ n lớn là hetơropolysaccharide

Liôn kếl giữa các monomer thường là [i-glycoside

Sau đây sẽ Lrình bày chi tiết vể các polysaccharide th ư ờ n g gặp

1.3.1 H om opoỉysaccharide

Có thổ có vai trò d ự trữ (tinh bột, glycogen) h a y câ\i t r ú c ((X?llu]ose, chitin)

a) T i n h b ô t ( g l y c a n )

Đại p h â n tử t i n h bột bao gồm h a i k i ể u p o l y m e r glucose là: aìnylosc và

amylopectin A m ylose là một chuỗi polymer kh ô n g p h â n n h á n h , dài k h o ản g gần 300

đến 1000 gôc glưcosG, chỉ có liôn k ế t a ( l -> 4) glycoside, có khôi lượng p h ân tử lừ vài nghìn dến hơn một triệ u Da (dalton) Chuỗi amylose x o ắn th eo kiổu lò xo, một vòng xoắn có 6 gôc glucose, mỗi gôc tạo th àn h góc 60" so với gôc p hía trước (hình 1.5) Cấu Irúc xoắn đưỢc làm bền nhờ liên kết hydrogen giữa các n h ó m - O l ỉ tự do của các gôc glucose Bôn trong vòng xoắn có thể k ết hỢp vối các n g u y ô n tử khác, ví dụ như với iodine (iôt), tạo th à n h m à u x anh đặc trưng Khi đ u n nóng, liôn k ế t hydrogen bị cắL đứt, chuôi amylosc duỗi th ẳn g , iôl bị tách ra, du n g dịch m ấ t m àu xanh

H inh 1.5 Câu trú c của c h u ỗ i a m y lo s e

a) Các gốc glucose ở dạng ghế ià dạng bền nhất; b) Chuỗi poiysaccharide của amylose cũng như các phẩn iiên kết với nhau qua liên kết a(1-> 4) gíycoside thường có cấu trúc xoắn chặt, cấ u trúc này tạo thành các hạt tinh bột dự trữ, hạt glycogen đặc thường gặp trong nhiều tế bào.

22

A m ylo p ectin có cấu trú c p h ẫ n n h á n h , ngoài liên k êt a ( l -> 4) glycoside, còn có cả liên k ế t a ( l -> 6) glycoside ở điểm p hân n h án h (hình 1.6) P h â n tử bao gồm một nhánh tr u n g tâm (có các liên k ết a ( l —> 4) glycoside), từ n h á n h này, cứ cách 24 đến 30

gốc lại có một điểm p h ân n h á n h qua liên kô^t a(l -> 6) glycoside Phân tử amylopectin có khòl lưựng p h â n tử cao hơn amylose, có t h ể bao gồm đến một t r iệ u gôc glucose

CH2OH - oH

oNhánh

Ihuận nghịch cấu trú c p h ả n tử amylopectin, hiộn tượng hồ hoá tin h bột

Tỷ lệ % ỄỊÌữa amylose và am ylopectin thay

đổi tuỳ theo loại tin h bột

T huỷ phân giới h ạ n tin h bột bằng enzyme

tạo th àn h các sả n p h ẩm tru n g gian có khôi

lương phân tử th ấ p hơn gọi là dextrin Tuỳ theo

độ lớn của p h â n tử, khi k ế t hỢp vổi iôt, cá(!

deKtrin tạo th àn h các m àu khác nhau, từ màu tím

(ainylodextnn) đctn m àu đỏ nâu (erythrodextrin)

hcẶc không có m àu (maltodextrin)

Tinh bột là polysaccharide dự trữ phổ biến ỏ

thực vật, là chất dinh dưỡng chủ yêu của ngưòi

và nhiều động vật ơ thực vật, tin h bột đưỢc

tídi luỹ chủ yếu trong các loại hạt, dặc biệt là

cá ' loại h ạ t hoà t h ả o và các loại củ, nó tồn tại ở

gi.im áp suâ't nội bào (áp s u ấ t th ấ m th ấ u tỷ

lộ với sô' p h â n tử c h ấ t h o à t a n t r o n g một thê

tứ h nhâ't định)

b) P h y t o g l y c o g e n ( g l ỵ c a n ) , cũng là polymer của các (a-D -G lu co p y ran o se), có

cáu t r ú c tư ơng tự a m y l o p e c t i n n h ư n g p h â n n h á n h n h i ề u hđn Đ ế n n a y mới tì m th ấy

pl ytoglycogen tro n g m ột sô 'ít thực v ậ t như ngô đường (Zea m a ys var saccharata).

c) G lyco g en (g ly c a n ), là polysaccharide phân nhánh, tương tự như amylopcctin

hoàn chỉnh có 12 bậc phân nhánh,

Glycogen hoà tan trong nước nóng, khi kết hỢp VỚI iôt cho m àu dỏ tím hoặc đỏ nâu Glycogon có trong h ầ u h ết các tế bào động v ật và trong m ột sô' nguyên sin h dộng vật (protozoa) và táo ơ cơ thổ người và các động v ật có xương sông khác glycogen tập tru n g chủ yếu Lrong gan (có thể chiếm đến 7% khối lượng gan), Lrong tế bào mô

cơ Các h ạ t glycogen t r o n g g a n Lập hợp lại t h à n h t ừ n g đ á m , ba o gồm các h ạ t nhỏ hơR

là t ừ n g p h â n tử glycogen Khôi lượng p h â n tử glycogen k h o ả n g vài tn ộ u Các hạt glycogen có chứa các e m y m e xúc tác cho sự tổng hỢp và p h â n g iả i nó H à m lượng

glycogen phụ thuộc n h iều vào mức độ dinh dưỡng

Lượng glycogen tro n g tế bao vào khoảng 0,01^iM tương đương 400jiM glucose tự

do, VỚI lượng glucose này có th ê làm cho nước di vào t ế bào n h iều , dẩn đô'n p h á võ tế bào Glycogen có áp suâ't th ẩ m th ấ u th ấ p hdn glucose

Glycogen có vai trò dự trữ glucose cho cơ thể, khi đói, h à m lượng glycogen giảm

n h a n h chóng, có th ê bị sử d ụ n g t o à n bộ, n h ư n g cũ ng có t h ể n h a n h chó ng đưỢc tổng' hỢp trớ lại từ các s a c c h a r id e mới dưỢc h ấ p t h ụ vào

d) D e x t r a n ( g l y c a n ) là p ol ym er của glucose k ế t hỢp vói n h a u c h ủ y ế u q u a liên

k ê t a (1 6) glycoside, có các n h á n h vối liên k ế t a (1 ^ 3), đôi k h i a (1 -> 2) và cả a(1 4) glycoside, khối lượng p h â n tử có thể đ ạt đến vài triệu

tíulíale dexLran có tác d ụ n g chông đông m áu , c ũ n g có t h ể d ù n g t h a y h e p a r i n khi

t r u y ê n máu Các d e x t r a n tổng hỢp k h ô n g tan , có các liên k ế t chéo (sephadex), với kích thước các lô k h á c n h a u , đưỢc sử d ụ n g để tá ch r i ê n g các p h â n tử (protein) k h ác

n h a u về khôi lượng p h â n tử (Mr), hìn h dạng p h ân tử

B ả n g 1.4 T ó m tắ t đ ặ c tín h c h ủ yè u củ a m ộ t sô h o m o p o ly s a c c h a rid e g ỉy c a n

Bị thuỷ phân dưới

Thành tế bào thực vật bậc cao, cũng có ở vỏ ngoài cứng của một số động vật không xương sống ơ biển.

-12— I -ãZ j a _ :

cấ u trúc

24

Tuy nhiôn viộc tạo t h à n h dcxtran cũng có Ihể gây tổn t h ấ t Lrong công nghiộp, ví dụ; vi k h u ẩ n Leuconostoc mesenteroid sử dụ ng sucrose để tổ ng hỢp d e x t r a n gây tôn llial l(3n trong công nghiộp) sả n x u ấ t dưòng suci'0se.

e) C e llu lo s e là glycan không p h ân nhánh, trong đó các gôc glucose k ết hỢp với

n h a u qua liôn kôt p (1 -> 4) glycoside, tạo th àn h chuỗi dài, bao gồm 10.000 -15.000 gcíc Mỗi gốc glucose (h ìn h ghể) qu ay 180^’ so VỚI gôc b ê n cạn h , tạo t h à n h chuỗi duỗi Ihang, các nhóm - O H q u a y ra phía ngoài của mỗi chuỗi, h ầ u h ế t các nhóm - O H đểu

th a m gia tạo I h à n h liên kôt hydrogen bên trong chuỗi và giữa các chuỗi (hình 1.7) tạo th à n h m ạn g lưới liên kô"t hydrogen, tạo th àn h câ"u trú c r ấ t bền, khó bị th u ỷ p hân (bảng 1.4)

Cấc chuỗi này xếp dô’^i song song tạo thành các sỢi có đường kính khoảng 3,5nm, các

sợi kếl hỢp VÓ'1 nhau tạo thành bó gọi là miccll có đường kính 20nm, tạo thành cấu

Lrúc siêu sỢi râ^t bền, làm cho t ế bào có thê chịu được sự sai khác lớn về áp suấ*t thâm

thấu giữa không gian bên ngoài và bên trong tô bào.

Các sỢi ccllulosc tro n g th à n h tô^ bào được bao bọc và tạo liên k ết chốo với một số^ polysacchande có tro n g c h ấ t nền (matrix) của th àn h tê bào Các polysaccharide này cũng dược cấu lạo từ glucose và mộl sô" monosaccharide khác, ơ tô" bào non, khoang

irống giữa các sỢi chứa đ ầy nưốc; ở tế bào già, trong p h ầ n gỗ, châ^t nền th à n h tế bào

chứa lượng lớn lig n in l à m cho nó trở nê n r ấ t rắn

Ligniìi là poỉymer của các polyphenol, không hoà tan, có vai trồ tương tự như xi máng

Kắn chặt các thành phần của thành tế bào, lảm ('ho nó rắn chắc, có ngưòi ví lignin như

"vật liệu com,posite''.

Mặc dù có câ^u trú c bổn vững, không tan trong nước, n h ư n g cellulose hoàn toàn

th ấm nước và các c h ấ t hoà tan, do đó nước và các c h ấ t hoà ta n dễ d àng thâ^m vào hoặc đi ra khỏi t ế bào

Cellulose được d ù n g để ch ế tạo giấy, các loại sỢi, n h iề u loại v ậ t liệu bền n h ư bìa cứng, cấic-~tông

ở các động v ậ t án cỏ, ông tiêu hoá của chúng có các vi k h u ẩ n cộng sin h tiết ra lìàiig loạt các o n z y m e có k h ả n ă n g p h â n giải cellulose (n hó m cellulase), vì vậy c h ú n g

có Lhô sử dụ n g cỏ làm thức án Con môi cũng p h â n giải gỗ theo cơ chể^ này Tuy

nhiên, m ạn g lưới dày đặc các liên kết H trong bó sỢi cellulose gây cản trở e m y m e tiếp cận các liên kết gỉucoside và làm cho các sỢi khó tách rời n h a u ngay cả sau k h i nhiều

25

liẽn kết glucoside đả bị cắt đứt. Vì vậy, dạ dày của các động v ậ t ăn cỏ có cấu Lrúc nhiều ngăn, và ở các độn g v ậ t n à y có hiộn tưỢng "nhai lại".

Ngừời và nhiều dộng vật không liêu lioá đưỢc cellulose vì không có các cellulase,

do đó cellulose không có giá trị dinh dưỡng đôi với người và các động v ật này Tuy

n h iê n , một sô^ n g h i ê n cứu cho t h ấ y cellulose có vai trò điều hoà hoạt động tiêu hoá, với vai trò n h ư "chôi quét".

f) C ả u t r ú c 3 c h i ê u c ủ a c á c p o l y s a c c h a r i d e , v a i tr ò q u a n t r o n g c ủ a liê n

k ế t h y d r o g e n

Chuỗi polysaccliarìde bao gồiĩi các vòng pyranose có th ể cuộn lại lạo th à n h cấu trúc ba chiều, tạo th à n h và làm bền nhò các tương tác yếu như: liên k ết hydrogen (có vai trò chủ yếu, do tro n g chuỗi còn nh iểu gôc 0H tự do), tương tác kỵ nước, tương tác van dei^ W aals, và cả tương tác tĩn h điện nếu polysaccharide có tích điện

Đê ÌTIÔ t ả c ấ u t r ú c bậc ba, người t a d ù n ^ các góc n h ị di ện o và lỊ/ là góc q u a y về

cả 2 phía của liên kết - C - 0 - ' c (hình 1 8) Do đó có thể h ìn h th àn h nhiều dạng không gian khác n h a u như n g chỉ có một vài dạng bền Ví dụ, d ạn g cấu trúc bền của amylOvSe, mỗi gôc t r ê n chuỗi tạo t h à n h góc 60° với gô"c p h í a trước; còn ở chuỗi cellulOvSe d ạ n g bền, mỗi gôc q ua y 180^^ so với gốc bên cạnh

Amylose

Dextran

Hình 1.8 Dạng k h ô n g gian liê n kế t g ly c o s id e của c e ỉlu lo s e , a m y lo s e vả dextran

Các polymer được biểu diễn dưới dạng các vòng pyranose kết hợp với nhau qua liên kết giycoside, quay tự

26

C lĩitin là homopolysac;chafide Lliắiig, có các monomer là N-acctyl-(3-D-Glucosamine

(nhóm 0 1 1 ở C2 của ^lucose dưỢc Ihay thê’ bàng n h ó m aininoacetyl), kô"t hỢp với

n h a u qua liẽii k ê í p (1 —> 4) glycoside

(ỉiông- n h ư cclluloscí, ch itin cũng có d ạn g sỢi dài, động v ậ t có xưdng sông không tièu hoá dược Ch-itin là t h à n h p h ầ n cấu trúc chủ yếu của lớp vỏ ngoài cứng của các loài giáp xác, côn t r ù n g , n h ộ n và n h i ề u loài vi n ấ m , tảo C h i t i n có vai trò bảo vệ ('hiLiii là chấL không' có ở t ế bào thực vật, n h ư n g các n g h iên cứu g ần đây đã cho pliép tlriếl r ằ n g ch it in là c h ấ l di ều hoà q u a n t r ọ n g đô'i với sự s in h tr ư ở n g và pháL Lriỏn của cây đậu

( hiLin la c h ấl có niiiổu th ứ a a i trong tự ahi(.;n, chi sa u cellulose, ước úiih hàngI’ó thổ tạo ra k h o ản g 10" k g chitin, chủ yếu là ở biên

Từ chiLin, deacetyl hoá có th ể th u đưỢc chitosan, là polysaccharide cation có nhiổu ứng dụng- Lrong nông nghiệp, công nghiệp, y t ế và xử lý môi trường

- ']'rong nônịỊ' nghiệp; làm c h ất kích thích nảy m ầ m , kích thích ra rễ, tăng năng suăt cây trồng, bảo q u ả n quả, hạt

~ T ro n g công nghiệp: l à m m à n g m ỏng bao gói thực p h ẩ m d ễ p h â n h u ỷ t ro n g môi trưcing Lự nhiên, th ay cho PE khó p hân huỷ; sản x u ấ t vải chịu nhiệt, vải col dùng cho may mặc, vải clìilosan m a y q u ầ n áo diệt k h u ẩ n ; t ă n g độ bề n của giấy, tăng độ bam din/i mực in khi in vái hoa làm tă n g dộ bền của m àu hoa trê n vải có in hoa;

tlùng' Lrong sản x u ấ t sơn, là m c h ấ t bọc lót cho các hệ t h ố n g m á y móc t i n h vi, t à n g độ bổn của

- T r on g y tế: s ả n xuắi gluc.osamine (chữa b ệ n h th o á i h o á khớp), chỉ p h ẫ u th u ậ t

tự tiêu, chiLo-oly^^ossaccharido làm- da nhâ n tạo, m à n g m ỏ n g t ẩ m thuô c k h á n g sinh Lrong diổLi Liị vết Lhũcing, ihuốc diệt nấ m k ý sin h ở người và độ ng vật

- 'rrorit;' xử lý môi ti-ườn^: xử lý nước thải công nghiệp nhuộm, môi trường nuôi tôm, cá.1’ỉieo sỏ' ỈIỘU ngluôn cứu của mộL số tác giả Việt N a m , t ừ lOOkg vỏ tôm tươi cóLhổ Ihu đưỢc chitosan; 20 - 40kg từ lOOkg vỏ tôm khô Nước ta dã có một số cd S('i sản x u ấ t chiLosan b ằ n g p h ư ơ n g p h á p hoá học hoặc k ế t hỢp với biện p h á p s inh học (dùn[ỉ pa])ain đổ loại protein trong nguyên liệu) với ỉượng lớn n h ư Đại học Nha Tranịí và một số cơ sở khác Các nghiên cứu ứng dụng ch ito san tro n g Lhực t ế cũng đã (-.ho nliiều kêt (Ịuả k h ả quan

T '

0=0O/'-'c i ụ o u

- 0

I I

íí NIÍ3

Hình 1.9 Cẵu trú c m ột đoạn c h itin

27

1.3.2 H eteropolysaccharide

Các polysaccharide thuộc nhóm này thường có tro n g chất nền (m atrix) tô' bào

thực vật, vi k h u a n , tảo; trong gian bào (extracellular space) của các mô liôn k ế t động vật đa bào, đặc biệt là sụn, gân, dây chằng

C hất nền ngoại bào (extraccllular m atrix, ECM) có tín h chfìt n h ư "gel", là hệ

1.3.2.1 A g a r là polym er bao gồm 600 - 700 đơn vị cấu trúc lặp lại {repeating unit,

RU) kc^t hỢp với n h a u qua liên k êt a (1 3) glycoside (hình 1.11), mỗi R ư bao gồm

D -G a la c lo se k ế t hỢp với 3,6 a n h y d r o - a - I ^ G a l a c t o s e (nhỏiTi - O K ở C3 v à C6 tro n g phán tử galactose k ết hỢp vối n h a u qua liên k ế t ether), h ìn h l.lO a

Agar bao gồm h ai loại polymer là agarose và agaropectin Agarose là polymer

không p h â n n h á n h , có khôi lượng p h â n tử khoảng 120 000; agaropectin có trong

ag ar vói lượng ít hơn, là polymer p h â n n h á n h có các p h â n tử bé hơn, có th ể có nhóm

t h ế methyl, k h ả n ă n g tạo gel kém hơn agarose, vì vậy để có được d ạng gel c h ất lượng lôt, có Lhẽ loại bỏ nó khỏi agar

1.3.2.2 Carrageenan C a rra g e e n a n là tên gọi m ộ t sô" polysaccharide cũng tách từ rong biến, có n h iều tín h c h ất và ứng dụ n g tương tự n h ư agar, n h ư n g k h ác ag ar ở chỗ

chúng có chứa nhóm suựate (-OSO;^) thay cho một số' nhóm -0 H của các monomer (hình 1.1 Ob)

-0'

O II t

H inh 1.10 Cấu trú c đ ơn v ị lặp Ịại (RU), của a ga ro se (a) và c a rra g e e n a n (b)

ở đây nhóm -O H ở C -2 thay bằng nhóm sulíate.

Hình 1.11 Cấu trú c m ộ t đoạn a g a ro se : hai RU kế t hỢp v ớ i nhau qua liên kế t a (1 3)

g ly c o ồ id e , th e o cách này tạo th à n h p o ly m e r bao g ồm 600 đến 700 g ố c

28

Tính chf{t đặc trư n g quan trọng của agarose là có th ể tạo th à n h d ạng gel Ngâm agarosc vào nước, đ un nóng, làm lạnh sẽ tạo gel do agarose tạo th à n h các đơn vỊ xoắn kóp: ha: Ịjhân tử xếp song song xoắn vào n h au , k h o a n g giữa chứa đầy nưởc, các cấu trúc này gắn VỚI n h a u tạo th à n h dạng gel cấu trú c 3 chiểu "ngậm" lượng lớn nước (hình 1 12).

~4 5°c

LOO'’C

agering

100«c

Hỉnh 1.12 Câu trú c dạng gel của a g a ro s e [15]

Agar (E406) có trong th à n h t ế bào một số tảo biển đỏ (Rhodophycae), gọi là carra^^eenan, ag ar thương ph ẩm Lhu được từ các loài Gracilaria và Gelidium Agar

dược dùng- Lrong ch ế biến ihực phẩm , agarose ứng dụn g n h iề u trong phòng thí nghiệm đô nuôi cấy vi sinh vật, điện di; dùng làm capsule bọc các loại thuôc

Mộl sô' polysaccharide thực vật khác cũng có k h ả n ă n g tạo gel, làm tă n g độ

q u á n h đặc du n g dịch n h ư acid alginic, g a ỉa ctom annan, đưỢc sử dụn g nh iều trong

côn.iỊ nghiệp ch ế biến thực p hẩm , mỹ phẩm, dược phẩm

Acid alginic, đưỢc cấu tạo từ acid p-D-Mannuronic và acid a-L-Guluronic, các gôc

này kết liỢp vói nhau qua liên kết 1 -> 4, Sự sắp xếp các gôc này trong chuôi có tính ngẫu nhiôn (hình 1.13).

Gulose (Gul) là tên thường dùng aldohexose gulohexose, là một đồng phân lập thể

của glucose, Irong đó dạng không gian ở C-3 và C-4 là ngưỢc nhau Acid guluronic (GulA) được tạo thành do oxy hoá nhóm hydroxymethylen ở C-6 của gulose thànhnhóm carboxyl

Alginate không tan trong nước nhưng hấp thụ nước, đưỢc sử dụng làm chất tạo gel, chấL làm đặc Các alginate đưỢc dùng trong công nghiệp dệt, giấy, mỹ phẩm, làm

bản in khuôn răng Alginate cũng đưỢc thêm vào các thực phẩm giảm béo, vì nó có

tác dụng làm giảm ngon miệng. Muô'i sodmm alginate đưỢc dùng trong công nghiệp chế biến thực phẩm để tăng độ nhớt, tạo nhũ tương

Galactomannan là polymer của mannose và galactose Các gốc mannose kêt hỢp với

nhau qua liên kết p (1 -> 4) glycoside, galactose kết hỢp với gôc mannosc qua liên kết

(5 (1 —> 4) gh^cosidc (hình 1.14).

GalacU)mannan có trong một sô' gôm thực vật, dưỢc dùng để làm tàng độ nhớL một số ihực phẩm Tỷ lộ mannose/galactose có thể là 1 : 1, 2 ; 1, 3 ; 1, hoặc 4 : 1, tuỳ loại gôm

29

H ình 1.14 Câu trú c m ộ t đoạ n guaran (th u ộ c g a la c to m a n n a n )

Guaran, chiếm đến 85% trong gôm guar cùa quả một loại đậu thuộc Cyanopsis tetragonoỉoba

1.3.2.3 H e m ic e llu lo s e

Polysaccharide tr o n g c h ấ t n ền th à n h t ế bào thực v ật, hoà tan tro n g dung dịch kiổm, (ỉo đó có th ế d ù n g d u n g dịch này để tác h chiết hcm icellulose

Hemicellulose là polymer ngắn, phân

nhánh nhiều, bao gồm các pentose và hexose, Vi sơi ceiiuiose

chủ yếu là xylan và một sô' homoglycan hoặc

heteroglycan (glucoronom anan, xyloglycan,

glummanan, galactoglu(»mmian, arabinogalactan)

Hemicellulose tạo th à n h các liên kết

chóo giữa các vi sỢi cellulose với n h a u l àm

t ă n g dộ bề n chắc c ủ a t h à n h t ế bào (h ìn h

1.15, 1.16)

Pectin Hemicelluỉose

Hỉnh 1.15 Sơ đ ổ sắp x ẽ p của các v i sợi

c e llu lo s e , h e m ic e llu lo s e và p e ctin [19]

hòa tan

H ình 1.16 Sơ đố cấu trú c th à n h tế bào th ự c v ậ t [35]

30

<Ị> Galacturonic acíd Xylose

^ Kdo (3-deoxy-D-mano-

a c tu lo s ó n lc acỉd)

^ Glucuronic acid L-Rhamnose

H ình 1.17 Sơ đố cấu trú c c h u ỗ i p hân tử p e c tin [30]

Chuỗi bao gổm các loại polysaccharide khác nhau, có 3 polysaccharide chủ yếu: rhamnogalacturonan (RG -i ở bên trái) và R G -il ở bên phải; ở giữa là chuỗi homogalacturonan (HG) Có một vùng xỵlogaiacturonan (XGA) ở giữa HG và RG -Ỉ Tỷ lệ độ dài các đoạn này thực ra có khác, HG dài gấp 12,5 lần và RG -I dài gấp 2,5 iần so với đoạn XGA.

Ghi chú: Kdo còn có tên khác là 2 -k e to -3 deoxy-D-octanoate.

Apiose: monosaccharide phân nhánh (xem phẩn monosaccharide).

1.3.2.4 P ectin là p o l y m e r của D -g alactu ro n ic và các m o n o sach arid e khác như; galactose, arabinose, galacLose, rham nose, (hình 1.16) M ộ t sô monomer, chủ yêu là

D -galacturonic có nhóm - OH ở C-6 m ethyl hoá, tạo th à n h estcr m ethyl (hình 1.17, ký hiộu là 6M) Các gôc íicid galacturonic kết hỢp vối n h a u qua liên kôt a (1 ^ 4) glưcosido (hình 1.18) Mức độ e s t c r hoá (DE) ả n h h ư ở n g đ ế n t í n h c h ấ t gel c ủ a pectin,

do LỈÓ có thổ dùng nó n h ư là một chi' tiêu đặc trư n g cho pectin Ví dụ: nếu DE là 60%,

gọi là ì^ectin DE—60

(3 trong 5 nhóm 'acid tạo thành ester m ethyl).

S ự p h â n hố, vai trò và ứng d ụ n g pectin: Pectin có tro n g t h à n h t ế bào của t ấ t cả

các mô thực vật, n h ư n g có n h iề u trong quả, củ, th â n , đặc b iệ t là tro n g p h ầ n tr ắ n g

của quả bưởi, chanh, cam Nó có vai trò n h ư "chất x i- m ă n g " g ắn k ế t các t h à n h p h ầ n

của t h à n h t ế bào thực vật Vì vậy, để tă n g h iệu q u ả chiết r ú t các c h ấ t từ thực vật,

31

người ta thường xử lý nguyên liệu với các enzyme p h ân giải pectin (pectinase) Điều này có ý nghĩa q u an trọng trong việc chiết rút các hoạt chất từ cây thuốc.

Pectin có thê tạo t h à n h dạng keo đặc khi có acid, đường, do đó nó đưỢc sử

dụng nh iếu trong sả n x u ấ t Ihạch trái cây, mứt, kẹo

1.3.2.5 Các g lu c o s a m in o g ly c a n (GAG)

Các đ ơ n vị l ặ p l ạ i t r o n g GAG: d ỉ s a c c h a r ỉ d e

GAG là polymer không p h â n n h á n h , có các đớn vị lặp lại (re p c a tin g u n it, RU) Lhoo kiểu AB.AB.AB Các RU là các disaccharide đặc biệt: một Lrong hai gôc lu ô n là N-accíylfílucosam ine hoặc N-aceLylgalactosamine, gôc kia là D -g lu cu ro n ic hoặc L-iduronic Một hoặc cả hai gôc m onosaccharide của RU có ít n h ấ t 1 nhóm anion ( - 0 0 0 “ hoặc do đó chuỗi GAG m ang nhiều điện tích âm D ựa theo bảni c h ấtcủa d isacch an d e để p h â n biệt các GAG (bảng l.õ và h ìn h 1.19)

CH2OSO3 ' — 0

Hinh 1.19 Cấu trú c các đơn v ị ỉặp Ịại (RU) d is a c c h a rid e

của m ộ t s ố g ly c o s a m in o g ly c a n p h ổ biên

GlcA: acid gỉucuronic; GlcNAc: N-acetỵlglucosamine (NAG);

GaíNAc 4S: nhóm so^"" ở vị trí C -4 của N-acety!galactosamine

IdoA: acid iduronic.

Tuỳ theo đặc tín h của các disaccharide, người ta p h â n biệt các GAG khác n h a u (bảng 1.4)

32

B ả n g 1.5 Đ ặ c tín h câ u tr ú c c ủ a m ộ t s ố g ly c o s a m in o g ly c a n (G A G ) th ư ờ n g gặp

(RU = đơn vị lặp lại = disaccharide)

GAG (Số lư ợ ng RU) Cấu trú c m ò t đơ n vi lăp lai,

Gốc sulíate thay thế -O H ở C-4 của GaiNAc.

Keratan sulfate

(20-40)

D -galactose-ỊÌ (1 ^ 4)

(không cố acid uronic), hàm

lượng sulíate thay đổi, có một lượng ít íucose, rhamnose, N~aceíylglucosamine, acid siaiic).

Có trong màng sừng (tiếng Hy Lạp "/ceras"

= sừng), sụn, xương và nhiều cấu trúc được tạo thành từ các tế bào chết như: sừng, tóc móng guốc, móng tay, vuốt mèo,

Gốc L - Iduronate có thể thay bằng D-glucuronate có một số gốc sulíate thay đổị

Trung bình có 2.5 gốc sulíate/ 1 disaccharide, là chất phản tử lớn sinh học có điện tích ảm nhiều nhất.

Là chất kháng đông máu tự nhiên, bằng cách kết hợp và kích hoạt aníithrombin II!

do đó ức chế hoạt độ của thrombin.

Heparan sulíate có trong thành phần bề mặt mọi tế bào, chất ngoài tế bào, trong thành mạch máu và nãọ

Có vai trò quan trọng trong phản ứng dị ứng.

Ghi chú thêm: Acid hyaluronic (HA) cũng gọi là hyaluronan là GAG không chứa sulíate, theo tiếng Hy

Lạp "hyalos" là thuỷ tinh Khác với các GAG khác, HA có các chuỗi dài hơn, và không kết hợp cộng hoá trị

với các protein đặc hiệụ HA có trong chất nền ngoại bào (ECM) của mô, trong hoạt dịch các khớp, dịch íhuỷ tinh thể mắt và cũng có trong lớp vỏ ngoài của một số vi khuẩn HA tương tác mạnh với các thảnh phần khác của ECM, làm cho sụn, gân có tính bền chắc, chịu lực và co dãn HA là thành phẩn chủ yếu trong chất nền bao quanh các tế bào tăng sinh, đặc biệt là ở mô phôi, thaị

HA có vai trò làm trơn các khớp, chịu được sức nén, làm cho các tế bào di trú thuận lợi, tạo cho sụn có các tính chất tương tự gel.

Nói chung phân tử HA có cấu trúc rắn đặc, cuộn thành hình ống, trong dung dịch có tính mềm dẻo, uốn cong, xoắn vặn lạo thành nhiều hình dạng không gian khác nhaụ Ví dụ, ở khuỷu tay có 10.000 RU, Mr = 4 X 10^Da, dài

Phân tử HA có nhiều nhóm tích điện âm (- C 0 0 ') nhất là ở pH sinh lý, do đó có thể kết hỢp với K^' Na* và Câ’ Cấ -hỵaỉuronate tạo thành sợi xoắn trái, chiều cao một bước xoắn là 28,3 A, có 3 RU (disaccharide).

Do có nhiều nhóm tích điện ảm trên bề mặt nên HA kết hợp lượng lớn nước, bó tính chất giống như có

lần thể tích khi ở dạng khô.

33

Tính đa dạng của GAG là do: ì) Nó có thể kéo dài chuỗi bằng cách kết hỢp thêm các gốc đường để tạo thành các đơn vị lặp ỉại đạc trưng của GAG ii) cấu trúc hoá học của các đơn vỊ lặp lại trong chuỗi có thể bị sửa đổi bằng cách kết hỢp cộng hoá trị với các phân tử nhỏ như sulĩate.

Tuy nhiên còn chưa biết rõ cơ chế kiểm soát các biến đổi trên Những biến đổi cấu trúc của GAG đã nêu có thể ảnh hưởng đến chức nàng sinh học của phức chứa nó (proteogiycan, gỉycoprotein),

1.4 CÁC SACCHARIDE LIÊN KẾT (KẾT HỢP VỚI PEPTIDE, PROTEIN, LIPID)

Sau đây sẽ giới th iệ u 3 nhóm: proteoglycan và p ep tid o g lyca n của th à n h t ế bào vi

khuẩn; glycoprotein và gỉycolÌDÌd.

1.4.1 Proteoglycan và peptidoglycan

a) P r o t e o g l y c a n

Bao gồm p ro tein lõi, kết ìiỢp cộng hoá trị với ít n h ấ t m ột chuỗi glucoam inogỉvcan (GAG), IroìĩP' đó GAG chiếm tỷ lệ khối lượng lớn.

Các GAG trong proteoglycan thường là h e p a ra n su líầte, ch ondroitin su líầte hoặc

k e ra ta n sulfate Các proteoglycan có nh iều trong c h ất nền d ạn g gel ở ngoài tẽ' bào,

uac UAU trong proteoglycan thương là h e p aran suJiate, ch ondroitin su liate hoặc

k e ra ta n sulfate Các proteoglycan có nh iều trong c h ất nền d ạn g gel ở ngoài tẽ' bào, bọc quanh các sỢi collagen, e lastin ở các mô liên k ết n h ư sụn, da (hình 1.20) giữa các

iê bào gắn kêt với n h a u , nh ư n g vẫn có chỗ trông để oxygen và các dưỡng c h ấl có thể khuếch tá n vào mỗi tế bào của mô

Sợi colagen

Chondroitin suỉíate

và keratin sulíaíe Proteĩn lõi Hyaluronan

Hình 1.20 Sơ đ ồ tò ch ứ c các phân tử lớn tro n g sụ n k h ớ p (a rtic u la r c a rtila g e ) [34]

- Phức proteoglycan;

Các proteoglycan có th ể tạo th à n h các phức lớn, ví dụ aggrecan Proteoglycan

chủ yếu của sụn, có khôi lượng p h â n tử th ay đổi, có th ể đến 220kDa, có cấu trúc

ph ân tử giông n h ư chổi rử a chai (hình 1.24) Các aggrecan có th ể k ế t hỢp lại bằng liên k ết phi cộng hoá trị th à n h một khôi, có khôi lượng p h â n tử đôn 200.000kDa Domain tr u n g tâm của aggrecan duỗi thang, liên k ế t cộng hoá trị với h àn g loạt polysaccharide, có thể chia th à n h 3 vùng:

+ Vùng dornain đ ầ u -N : chỉ có ít GAG, các GAG k ế t hỢp với protein gốì lên

domain h ìn h h ạt, liên k ế t với acid hyaluronic qua liên k ế t cộng hoá trị với N -a m id e của gôc Asn

+ V ùng già u oỉigosaccharide, nhiều gôc ở vùng này có vai trò n h ư nh ữ n g điểm để

móc k e ra tin sulfate Các oligosaccharide này k ế t hỢp với p ro te in qua liên kết với nguj^ên tử 0 của các gốc Ser/Thr

34

+ Vùng đ ầu c g ià u các chuỗi chondroitin sulfate, chuỗi n à y k ế t hỢp với pro tein lồi cỊua I n s a c c h a r i d c “ g a l - g a l - xyL Gôc xyl của t r i s a c c h a r i d e k ế t hỢp với n g u yê n tử

0 ư mạch bên của S er và Thr Vùng đầu cuối - C của p ro tein lõi của aggrecan có

Irìiih tự tương tự lectin

Các aggrccan r ấ t ưa nước, thường kết hỢp vối lượng lốn nước, một sô' bệnh như

V ì ờ m khớp d ạ n g thả'p khớp k è m theo việc m ấ t a ggrecan

- l^ion kôL giữa GAG với protein lõi;

Các GAG (trừ h y a lu ro n a n ) tồn tại trong tự nh iên ở d ạng liên kết, là th à n h phần cấu tạo của proteoglycan Các chuỗi GAG tập hỢp tr ê n các "protein lõi" (core protein,

h ì r h 1.21) kcL hỢp với ~ 0 H c ủ r một sổ’ gôc Ser qua l;ên k ế t 0-oligosacoharỉde (đôi

VỚI hcỊ)aran hoặc chondr oi tin ); còn đôì với k e r a t a n sulfate, ihưòng k ế t hỢp VỐI các

gốc Asn qua liẽn k ế t N-olỉgosaccharride (hình 1.22 và 1.23).

Protein lõí

Dermatan sultaíe (CS)

Hình 1.23 Sơ đổ c h u ỗ i keratan s u lta te

và liên k ế t của nó v ố i p ro te in lõ i qua g ố c A sn h o ặ c S e r/T h r

.^Monomer Dịch bên trong

a) Sự sắp xếp các phân tử trong gel vô định hinh của sụn khớp [44].

aggrecan móc vào nhánh trung tâm Các lông chôi toả ra từ protein lõi [43].

c) Một monomer aggrecan proteòglycan kết hỢp với chuỗi acid hyaỊuronic.

Protein lõi là trục của chổi rửa tương tác phi cộng hoá trị với chuôi hyaluronic qua đầu N tận cùng hình hạt Tương tác này được làm bền nhờ protein nối (ỉink protein) [43].

36

(NAM

Ghi chú chi tiết: Sụn bao gồm hệ thông chằng chịt các sỢi collagen, chứa đầy các proteoglycan

và nước Các thành phần câu tạo của proteoglycan (protein lõi, chondroitin sulfate) tương

ÌỂÌC đặc hiệu với collagc^.n Lực căng (tensile strength) của sụn và các mô liên kết là nhờ hàm lượng collagen của nó, cồn tính đàn hồi (resilience) của sụn là do nó có hàm lượng proteoglycan cao Do đặc điểm cấu trúc của sụn, nó có thể kết hỢp thuận nghịch với một lượng nước lớn

Trong sụn không có mạch máu, do đó nó đưỢc nuôi dưỡng nhờ dòng chấL lỏng đưa đến khi

cơ the vận động Điều này giải thích tại sao khi không vận động trong một thời gian dài, sụn hị mỏng và dễ vỡ.

- Vai trò s i n h học c ủa pr oteoglycan k h á đa d ạ n g như:

+ S ắp xếp tạo th à n h h in h thái của mô qu a tương tác c ủ a c h ú n g vói các p h â n tử

sulfate có th ể k ế t hỢp với protein

làm thay đổi h ì n h d ạ n g của nó;

hoặc có th ể l àm cho 2 protein

khác n h a u tương t ác với nhau,

+ ProteẨ)glycan tạo các điếm

kết dính, n h ậ n biết và t r u y ề n

thông Lin giữa các t ế bào và giữa

t ế bào với chất n ề n ngoại bào

chéo, móc vào n h a u tạo t h à n h một

lớp như cái túi bao xung quanh

A cid diam inopinicỉic

Các peptidoglycan k h ô n g được tổng hỢp trê n ribosome, m à được tổng hỢp nhò h à n g loạt các enzyme

Sacch arid e tro n g peptidoglycan thường là N -a c e ty lg lu c o sa m in e (NAG) và acid

N -a c o ty lm u ra m ic (NAM) k ê t hỢp VÓI n h a u qua liên k ế t ị3'-glucosidic (NAG Ị3 (1 -> 4) NAM) Các gôc NAG và NAM xôp lu â n ph iên tro n g chuỗi

Dơn vị lặp lại (RU) của peptidoglycan là disaccharide

NAG p (1 4) NAM, có gốc lactyl tạo thành ỉiên

kết amíde với tetrapeptide (ở đây là trường hỢp

của s aureus) ở một sô" loài nhóm a-carboxylate

của is o g lu ta m a te đưỢc th a y thô' bằng nhóm

amide, tạo thành D-isogìutamin; gôc L-Lys có

thê ihêm nhóm carboxyl vào Cz của nó tạo thành

acid diaminopimelic:

- Cách sắ p xêp, liên k ê t giữa các chuỗi peptidoglycan t r o n g t h à n h t ế bào vi k huẩn:

Các chuỗi p eptidoglycan xếp sơng song

bên cạnh n h a u , k ế t hợp vói n h a u bằng liên kết cộng hoá trị với các teirapepfj.de của c h ú n g (ở vi k h u ẩ n G“) (hình 1.26a) hoặc qua "cầu nối" pentapeptide (ở vi

k h u ẩ n (h ìn h 1.26b) Đó là sai khác chủ yếu giữa các peptidoglycan của vi

N -aceíy ỉ-m ư ram ic acid

N -acety )-g lu co sam in e

H ình 1.26 Sơ đ ổ sắ p x ế p cá c p e p tid o g ly c a n tro n g th à n h tế bào v i khuẩn

a) Vi khuẩn Gram ảm (G“):

b) Vi khuẩn Gram dương

của chuỗi proteoglycan bên cạnh.

{trích từ "Structure anhd íuncíion of bacterial celís" ed by Kenneíh Todar, Univ of VVisconsin- Maldison, Dept of Bacteriology, 2008).

38

- So sá n h t h à n h t ế bào vi k h u ẩ n

G v à G ':

Thành tế bào vi k h u ẩ n G* dày hơn,

t:ó lớp ])eplidogl3^can dày hơn (hình

\ :27) và có chứa acid teichoíc Acid này

là polymer của ribitol hoặc glycerol kết

hợp VỚI acid phosphoric qua liên kết

e stcr tạo th àn h chuỗi dài, nhóm -O H

của monosaccharide này k ết hỢp với D -

A1 a hoặc nioncsaccharido k h á c n hư

glucose, NAG (hình 1.28) Acid teichoic

móc vào peptidoglycan b ằn g cách tạo

th à n h liẽn kôt ester giữa gốc phosphate

với nhóm - O H ở C -6 của gôc NAG

Acul tcichoic có th ể chiêm tói 50% khôi

lưỢng khô Ihảnh lô^ bào

Lớp pepticloglycan c ủ a t ế bào G“

m ỏ n g hờn n h ư n g có m à n g n g o à i

(MN) cấu tạo từ lipid, p ro te in và

liposaccharide (LPS), có ch ứ a các

p ro íe in porin tạo các lỗ đô các c h ấ t

d inh dưỡng di qua Lớp M N có vai trò

n h ư rào cản n g ă n các châ^t có h ại đi

vào t ế bào Do đó vi k h u ẩ n G“ ít n h ạ y

với lysozyme (enzym e c ắ t đ ứ t liên k ế t

giữa NAG và NAM, là m p h â n giải

hỉing cách kôt hỢp và ức c h ế enzyme tạo

các n h á n h peptidoglycan liên k ê t chéo

của th àn h tế bào vi k huẩn

N H C O C H

-(N A G )

CH2 -CH

1 0 1

o = p — O'

o

o — C H

CH2 CH2

Saccharide k êt hỢp với protein qua liên kết 0 -g ly co sid e hoặc N —glycoside.

- L i ê n k êt 0 -g ly co sid e thường gặp n h ấ t là liên kết được tạo th à n h giữa disaccharide p-galactosyl (1 3) a ^ N -a ce ty lg a lac to sam in e với nhóm -O H ở mạch

bên của Ser hoặc T h r (xem hìn h 1.29) Ví dụ: m ucin tro n g nước bọt.

Mucin trong nước bọt ngưòi chiêrn đến 26% protein của nước bọt iVIucin là protein có khô'i lượng phân tử lớn, trong đó Pro, Ser, Thr chiếm từ 20 - 55% các gôc acid amm, khá nhiều gôc Ser và Thr kêt hỢp với saccharide, các saccharide vói lién kết 0~glycoside chiếm đến 40“80%, và cũng có cả các liên kêt N—glucoside Có hai loại mucin m u cìn oligom er (MG 1), có Mr vào khoảng l.OOOkDa, một monomer kết hợp với 292 chuỗi oligosaccharide qua liên kêt 0-glycoside Chuỗi oligosaccharride có thể bao gồm từ 1 dến 20 gôc

monosaccharride Mucin monomer (MG 2), có Mr vào khoảng 130-150kDa, có chứa khoang

170 chuôi oligosaccharide kết hỢp với nhau qua liên k ế t 0~glycoside.

- Liên k ê t N-glycoside: NAG k ê t hỢp b ằng liên k ế t p với n itro g e n amide của Asn trong trìn h tự A s n - X - S e r hoặc A s n -X -T h r; X là một am ino acid nào đó trừ Pro và ít khi là Asp, Glu, Leu hoặc Trp (hình 1.30)

H c = 0

ể Ha

w Ser/Thr

(NAG)

a -m a n n o s y l- S e r /T h r

H ình 1.30 Liên kê t N -g ly c o s id e tro n g g ly c o p ro te in

40