Bài giảng Hóa sinh đại cương - Chương 6: Carbohydrate và chuyển hóa carbohydrate

Bài giảng Hóa sinh đại cương - Chương 6 Carbohydrate và chuyển hóa carbohydrate cung cấp cho người học những kiến thức như: Đại cương về carbohydrate, các monosaccharide, các oligosaccharide phổ biến, polysaccharide thuần, polysaccharide tạp.

Chương 6: CARBOHYDRATE

- Là các polyhydroxy aldehyde hay ketone, hay các h/chất khi

bị th/phân cho ra những chất trên

- Không phải mọi carbohydrate có công thức c/tạo là

(CH2O)n, một số chứa cả N, P, hay S)

6.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ CARBOHYDRATE

6.1.1 Định nghĩa

6.1.2 Chức năng sinh học

- Thuật ngữ “saccharide”: “sakchron” (tiếng Hy Lạp) = “đường”

- Cung cấp dinh dưỡng, năng lượng

- Dự trữ năng lượng (glycogen, tinh bột)

- Thành phần cấu tạo của tế bào

- Th/phần c/tạo của một số chất có h/tính s/học (nucleotide,

coenzyme)

- Là carbohydrate đơn giản nhất (đường đơn), có  2 nhóm

OH, dạng aldehyde hay ketone

- Theo số C được gọi là: triose (3C), tetrose (4C), pentose (5C), hexose (6C), …

Tetrose (4C) Pentose (5C)

Hexose (6C)

Triose (3C)

Các aldose:

Các ketose:

Ketotriose (3C)

(4C)

(5C)

(6C)

Ketotetrose Ketotriose

Ketopentose

Ketohexose

6.2.2 Đồng phân quang học

Ở đ/vật và th/vật, các đường đơn chỉ tồn tại ở hàng D

- Đường đơn có thể tồn tại ở dạng mạch thẳng hoặc vòng

6.2.3 Cấu trúc dạng vòng

6.2.4 Dẫn xuất của đường đơn

- Dẫn xuất amin hóa (Amino sugars):

Dẫn xuất của đường

- Rượu đường (Sugar alcohol):

Các dẫn xuất của đường đơn:

- Acid đường

- Các dẫn xuất phosphoryl hóa (Sugar phosphates):

Một số dẫn suất của hexose có vai trò sinh học quan trọng

- Hexose: là đường gặp nhiều nhất trong cơ thể SV

D-glucose: phổ biến nhất trong tự nhiên, là th/phần c/tạo nhiều loại oligosaccharide và polysaccharide

Có mặt khắp các dịch và mô bào trong cơ thể đ/vật, là cơ chất ch/hóa chủ yếu của carbohydrate ở người và đ/vật

D-fructose:

Có nhiều trong quả chín

Cùng với glucose, fructose là SPTG của nhiều con đường TĐC q/trọng (đường phân, chu trình pentose, … )

Trong cơ thể thường tồn tại dưới dạng β-D-fructofuranose

D-galactose: là th/phần c/tạo của lactose (đường sữa)

6.3 OLIGOSACCHARIDE

6.3.1 Định nghĩa

Có từ 2-20 đường đơn nối với nhau bằng l/kết glycoside

6.3.1 Các oligosaccharide phổ biến

- Maltose: nhiều trong mầm lúa,

kẹo mạch nha, ít ở dạng tự do, chủ yếu tạo thành khi th/phân

t/bột và khi hạt nảy mầm

Cấu tạo từ 2 D-glucose nối bằng l/k glycoside (C1-C4)

Có OH tại C1 tự do  là một đường có tính khử

Maltose

- Lactose: tạo thành từ D-galactose và một D-glucose

Cũng là disaccharide có tính khử do nhóm OH ở C1 của glucose ở tr/thái tự do

- Saccharose (sucrose): có nhiều trong củ cải đường, mía

Hai đường đơn nối với nhau bằng l/kết 1,2-glycoside

Không có tính khử

Động vật không t/hợp được Là SPTG của quang hợp, trong

cơ thể thực vật là dạng v/c đường từ lá về các bộ phận khác

- Hợp chất cao phân tử, có trên 20 gốc monosac

- Còn gọi là glycan, khác nhau về đ/vị c/tạo, độ dài của mạch

và độ phân nhánh

- Không có vị ngọt, không tạo thành d/dịch thật khi tan trong

nước, chỉ tạo ra d/dịch keo

- Trong cơ thể s/vật, chủ yếu giữ vai trò cấu trúc hoặc dự trữ

- Khác với protein: không có PTL đặc trưng (do khác về cơ chế STH) Protein được t/hợp theo khuôn mẫu (mRNA) với trình tự

và độ dài xác định STH polysaccharide không theo khuôn mẫu, chương trình STH polysaccharide do bản chất của enzyme xúc tác và không có điểm kết thúc đặc trưng trong q/trình tổng hợp

- Có 2 loại: thuần và tạp

6.4 POLYSACCHARIDE

Polysaccharide thuần (homopolysaccharide)

Hai loại monose không phân nhánh

Hai loại monose phân nhánh

6.4.1 Polysaccharide thuần

- Chỉ chứa 1 loại đ/vị c/tạo duy nhất

- Một số đóng vai trò dự trữ các gốc đường đơn để c/cấp nhiên liệu cho cơ thể (tinh bột, glycogen)

Cellulose và chitin là yếu tố cấu trúc của thành t/bào th/vật

và vỏ cứng của côn trùng, giáp xác

- Tinh bột: do th/vật tạo ra; có ở hạt, củ, quả; là nguồn n/lượng

dự trữ q/trọng của th/vật và là TĂ của người và đ/vật

Ở mô th/vật, tồn tại ở dạng hạt có h/dáng k/thước và c/tạo khác nhau tùy nguồn gốc; không tan trong nước lạnh; khi bị đun

nóng tạo d/dịch keo (hồ tinh bột), cho màu xanh tím với iod

Amylose: mạch thẳng, α-D-glucose nối với nhau bằng l/kết (α 1→ 4) glycoside, tan trong nước, cho màu xanh với iod

Có 2 th/phần: - amylose (khoảng 20%)

- amylopectin (khoảng 80%)

Amylopectin: các α-D-glucose nối nhau bằng l/kết (α 1→ 4) và tại điểm phân nhánh là (α 1→ 6) Từ 24 đến 30 gốc glucose lại

Hồ tinh bột (màu xanh tím với iod) → Amylodextrin (màu tím với iod) → Erythrodextrin (tím nhạt đến đỏ nâu với iod) →

Achromodextrin (màu đỏ nâu với iod) → Maltose (không cho

màu với iod) → Glucose (không cho màu với iod)

Amylopectin

(a): Cấu trúc mạch thẳng của amylose (b): Cấu trúc mạch nhánh của amylopectin

- Cellulose:

là polysaccharide thuần, không nhánh, 10.000 - 15.000 đ/vị D-glucosec nối với nhau bằng l/kết (β 1→ 4)

β-Nhiều đ/vật không tiêu hóa được, vì không có enzyme th/phân l/kết (β1→ 4) glycoside Loài nhai lại, thỏ, ngựa s/dụng được cellulose, nhờ VSV cộng sinh trong đường t/hóa tiết ra enzyme cellulase ph/giải được cellulose

- Chitin:

Các N-acetylglucosamine nối nhau bằng l/kết  1  4 glycoside

6.4.2 Polysaccharide tạp

C/tạo từ nhiều loại monosaccharide, dẫn xuất của các

monosaccharide hay còn có thêm những chất khác

- Hemicellulose: polysaccharide của xylose (xylan), arabinose

(araban), mannose (mannan), galactose (galactan); cùng với cellulose tạo nên vách TB th/vật, có nhiều trong rơm, rạ, bẹ

ngô, trấu,

- Pentosane: cấu tạo từ arabinose và xylose

- Pectine: cấu tạo từ nhiều galacturonic acid, một nhóm

COOH của acid này este hóa với methanol

- Polysaccharide tạp của vách TB vi khuẩn

(peptidoglycan)

Chuỗi gồm các gốc

acetylglucosamine (GlcNAc) và acetylmuramic acid (Mur2Ac) nối luân phiên bằng l/kết (β1→ 4) Các chuỗi lại gắn với nhau bằng l/kết ngang qua một đoạn peptide ngắn (có cấu trúc phụ thuộc vào từng loài vi khuẩn)

N-Lysozyme diệt khuẩn vì thủy

phân l/kết (β1→ 4) trên

Penicillin và các kháng sinh khác diệt khuẩn vì ngăn cản sự tổng hợp đoạn peptide trên, làm

thành t/bào vi khuẩn yếu, có thể

bị vỡ

6.5 SỰ TỔNG HỢP CARBOHYDRATE

6.5.1 Sơ lƣợc về quá trình quang hợp

- Các dạng NL sinh học đều bắt nguồn từ á/sáng m/trời

- S/vật q/hợp sử dụng NL á/sáng

để t/hợp glucose và các chất h/cơ khác; các chất này được s/vật dị dưỡng s/dụng để kh/thác NL và nguồn C

- Phương trình tổng quát của quang hợp ở thực vật

- Pha sáng: tạo NADPH và ATP nhờ NL á/sáng

- Pha tối: NADPH và ATP được s/dụng để khử CO2, tạo ra các triose và các h/chất ph/tạp hơn (như glucose)

+ Pha sáng của quang hợp (quang phosphoryl hoá):

Xảy ra qt quang phân ly nước, g/phóng O2 NL á/s được

dùng để khử NADP+ thành NADPH và phosphoryl hoá ADP thành ATP

Quang phosphoryl hoá vòng:

- Xảy ra ở QHI có tr/tâm p.ứ là P700 P700 hấp thụ NL photon và chuyển sang tr/thái k/thích (P*700) có thế khử chuẩn cao

- Điện tử của P*700 được chuyển về P700 đã bị OXH, qua một loạt các các chất vc tr/gian (ferredoxin, cytochrome bf, cuối cùng là plastocyanin)

- Sự v/c điện tử làm H+ bị bơm qua màng thylakoid, tạo ra một gradient

Quang phosphoryl hoá không vòng:

• Th/gia đồng thời cả QHI và QHII

• Điện tử không được vc khép kín; ngoài ATP, SP còn là

NADPH và O2

• Các s/vật q/hợp có nhả O2 (th/vật, tảo, vi khuẩn lam) có cả QHI và QHII, các s/vật không nhả O2 chỉ có QHI

Đ/tử chuyển liên tục từ QHII sang QHI P700 nhận photon, bị kích thích, 

dạng P*700 có thế khử chuẩn cao Ở tr/thái không bền này, e - của nó được s/dụng để khử NADP +  NADPH E - được chuyển qua một loạt các chất tr/gian có thế năng khử chuẩn giảm dần: A0, A1, một tr/tâm chứa Fe-S, Fd (một FP), ferredoxin:NADP + oxidoreductase NADP + đồng thời nhận e - từ P*700 và H + từ q/trình quang phân ly H2O,  tạo thành NADPH

Sau khi mất e - , P700 của QHI nhận e - từ QHII P680 của QHII nhận photon ánh sáng,  dạng k/thích P*680 (có thế năng khử chuẩn khoảng -0,8V) Sau

đó e - từ P*680 chuyển đến P700 của QHI, qua một loạt các chất vc tr/gian: Pheo (pheophitin), PQA và PQB (những protein chứa plastoquinon), ph/hợp cyt bf và plastocyanin

E - trả lại cho P680 của QHII bắt nguồn từ H2O Ở vi khuẩn lam

(cyanobacteria) và th/vật có q/trình quang phân ly H2O, nhả ra O2 H + của H được dùng để khử NADP + (như đã nêu ở trên), còn e - (từ H) được chuyển cho P680 của QHII K/quả của sự vc e - qua các chất tr/gian cũng tạo ra 1

gradient H + dẫn đến q/trình tạo ATP

+ Pha tối của quang hợp (đồng hóa CO2)

Ba giai đoạn của chu trình Calvin

b Tổng hợp lactose

- Disaccharide duy nhất được tổng hợp ở đ/vật cấp cao

- Được t/hợp ở tuyến sữa khi có thai và cho con bú

c Tổng hợp tinh bột

ADP-glucose là cơ chất cho sự t/hợp t/bột ở th/vật và

glycogen ở VSV, được tạo thành từ glucose-1-phosphate

- Tổng hợp amylose:

ADP-glucose + Đoạn mồi (n) glucose → ADP + Đoạn mồi (n+1) glucose

Glucose tách ra khỏi ADP và gắn vào đầu không khử (C4) của chuỗi polysaccharide đang hình thành

- Tổng hợp amylopectin:

Enzyme rẽ nhánh của diệp lạp thể (tương tự enzyme rẽ

nhánh glycogen) cắt đứt và chuyển một oligosaccharide trên chuỗi mạch thẳng amylose đến một vị trí khác trên cùng một chuỗi và hình thành l/kết α 1→6 glycoside

Chuỗi vừa được hình thành lại tiếp tục được kéo dài, nhờ enzyme tổng hợp amylose

• Còn gọi là tinh bột đ/vật, được t/hợp ở gan và cơ

• Cơ chế:

d Tổng hợp glycogen

Glucose + ATP → Glucose-6-phosphate + ADP

- Hoạt hóa đường glucose do hexokinase x/tác:

- Đồng phân hóa G-6-P do phosphoglucomutase x/tác:

Glucose-6-phosphate → Glucose-1-phosphate

- Tạo UDP-glucose do UDP-glucose pyrophosphorylase x/tác:

Glucose-1-phosphate + UTP → UDP-glucose + PPi

- Tạo chuỗi amylose do glycogen synthetase x/tác:

- Tạo mạch nhánh của glycogen nhờ enzyme rẽ nhánh

Khi chuỗi thẳng có ít nhất 11 gốc glucose, enzyme rẽ nhánh sẽ chuyển đoạn 6-7 gốc glucose của đầu không khử của nhánh đến gắn với C6 của phân tử glucose của cùng chuỗi hoặc một chuỗi khác

Một liên kết (α 1→6) glycoside hình thành (một chuỗi mới được tạo ra) Đoạn còn lại của nhánh cũ và nhánh mới lại tiếp tục được kéo dài

6.6 SỰ PHÂN GIẢI CARBOHYDRATE

6.6.1 Sự phân giải glycogen

- Tại gan và cơ, glycogen được phân giải chủ yếu theo cơ chế phosphoryl phân (có Pi tham gia)

- Glycogen phosphorylase, cắt lk  1  4 glycoside

- SP là glucose-1-phosphate, tách ra từ đầu không khử

Phosphoryl phân glycogen

Đầu không khử Điểm rẽ nhánh

Glycogen phosphorylase

Hoạt tính transferase Dextrin giới hạn

Amylo-1,6-glucosidase

(n gốc glucose)

(n -1 gốc glucose)

Khi chuỗi còn khoảng 4 gốc glucose

Nhánh glycogen mới dài thêm 3 gốc glucose tiếp tục bị phosphorylase ph/giải

6.6.2 Sự phân giải tinh bột (TB)

Tác động của các loại amylase đến amylopectin

- TB (kể cả glycogen khi bị t/hoá)

bị th/phân bởi các amylase khác nhau

- Mỗi loại có cách tác động riêng, cho ra các s/phẩm khác nhau

- -amylase (nước bọt, tuyến tụy) th/phân một cách ngẫu nhiên, không có

trật tự, các lk (  1  4) glycoside trong p.tử amylose, trước hết cho ra các oligosaccharide chứa 6-7 gốc glucose, rồi đến các các ph.tử maltose và glucose Trong phần mạch nhánh amylopectin,  -amylase chỉ th/phân các

lk  1  4, để lại phần có lk  1  6 (các dextrin giới hạn)

- -amylase ( trong các hạt nảy mầm) th/phân các lk (  1  4) glycoside,

một cách có trật tự tách ra từ đầu không khử từng ph/tử maltose Trong

amylopectin, t/dụng cũng dừng lại tại vị trí phân nhánh, còn lại các tảng dextrin giới hạn

- -amylase (glucoamylase) th/phân các lk (  1  4) glycoside từ đầu

không khử, tách dần từng phân tử glucose

- Amylopectin-1,6-glycosidase th/phân các lk ( 1  6) glycoside trong p.tử amylopectin (t/dụng vào các điểm phân nhánh); có nhiều trong dịch tiết của ruột non

6.7 HÓA SINH HÔ HẤP

- Hô hấp TB là q/trình OXH hoá các h/chất h/cơ đến tận CO2 và H2O; NL gi/phóng phần lớn biến thành NL trong các lk phosphate cao năng của ATP

- Q/trình hô hấp gồm 2 gđ:

1) tách H từ cơ chất chuyển tới NAD + , FAD tạo NADH và FADH2

2) NADH và FADH2 bị ôxy hoá bởi ôxy

- Hô hấp không chỉ có v/trò kh/thác n/lượng, OXH carbohydrate còn tạo ra nhiều SPTG q/trọng cần cho sự t/hợp các chất h/cơ cũng như các qt

6.7.1 Quá trình đường phân (Glycolysis)

- Xảy ra trong tế bào chất (cytosol)

- Là chuỗi các p.ứ biến glucose thành pyruvate, một phần NL được g/phóng dưới dạng NAD.H và ATP

Glycogen, tinh bột, các loại disaccharide và các hexose

đi vào quá trình đường phân

6.7.2 Các đường hướng chuyển hóa của pyruvate

a Chuyển hoá Pyruvate trong điều kiện yếm khí

(Fermentation)

Ở tế bào cơ đ/vật, vi kuẩn Lactobacillus):

Tùy loài, pyruvate chuyển thành các chất khác nhau

Ở tế bào men rượu (Saccharomyces cerevisie):

b Chuyển hóa pyruvate trong điều kiện hiếu khí

Pyruvate sẽ bị khử carboxyl OXH thành acetyl.CoA; chất này có thể đi vào chu trình citric acid và bị OXH thành CO2

và nước

c Pyruvate là tiền chất của các chất hữu cơ khác

- Pyruvate = mắt xích q/trọng trong ch/hoá carbohydrate và

protein; là tiền chất để tạo Ala Thông qua pư chuyển amin, nhóm amin từ Ala hình thành các amino acid khác, rồi thành protein

- Từ pyruvate tạo ra acetyl.CoA (ng/liệu để t/hợp lipid)

- Là ng/liệu t/hợp carbohydrate, trước hết là glucose

Sự b/đổi pyruvate thành glucose là 1 đường hướng tân tạo đường (gluconeogenesis )

Có sự khác nhau về enzyme của

2 quá trình đường phân và tân tạo đường

PEP carboxykinase

6.7.3 Chu trình citric acid

- Còn gọi là vòng Krebs hay chu trình các tricarboxylic acid

- Xảy ra trong chất nền ty thể

- Là cơ chế để OXH hoàn toàn các SPTG của sự ph giải carbohydrate, acid béo và acid amin

Ý nghĩa của chu trình citric acid

• Vai trò tr/tâm trong qt TĐC và NL, có ý/n cả đối với dị hóa và đồng hóa

• Là cơ chế OXH cuối cùng chung cho nhiều

SPTG của sự ph/giải carbohydrate, lipid và

protein

• Là cơ chế tạo ra các cặp hydro cao năng hiệu quả nhất; 4 cặp H tạo thành sẽ được OXH nhờ chuỗi h/hấp và tạo ra nhiều ATP

• Nhiều SPTG của ch/trình có thể là ng/liệu cho các qt STH

Số ATP tạo thành khi OXH acetyl.CoA trong

vòng Krebs và chuỗi hô hấp

năng lượng

Số ATP tạo thành

 -ketoglutarate

dehydrogenase

Tổng số 3NADH, 1FAD.H 2 ,

1GTP (ATP)

10

hay ATP

Phosphoryl hóa

bậc cơ chất

Phosphoryl hóa ôxy hóa

Tổng số: 32 ATP

FAD.H 2 hay ATP

Vòng Krebs

Glucose

8.7.4 Sự phosphoryl hóa OXH

• NADH và FAD.H2 hình thành trong đường phân, OXH AB và chu trình citric acid được đưa vào chuỗi hô hấp (chuỗi VC điện tử)

• Trong q/trình VC điện tử từ NADH và FADH 2 tới O 2 thông qua các thành viên của chuỗi hô hấp, NL tự do được g/phóng hợp diễn với sự tạo

thành ATP

Q/trình VC điện tử làm H+ bị đẩy từ chất nền ra khoảng giữa 2 màng, tạo nên một sự chênh lệch về nồng độ proton và điện tích (gradient điện hoá proton) Khi gradient điện hoá này bị hoá giải do H+ qay về chất nền qua tổ hợp V (ATP- synthase), ATP được tạo thành từ ADP và Pi

6.7.5 Chu trình pentose phosphate

- Diễn ra ở các mô bào, nơi có qt sinh tổng hợp mạnh

Pha ôxy hóa của vòng pentose phosphate:

Các ph/ứng chuyển pentose phosphates thành hexose phosphates làm cho pha ôxy hóa có thể đƣợc tiếp tục Các enzyme transketolase và transaldolase đặc hiệu cho quá trình này

Pha không ôxy hóa: tái tạo lại các hexosephosphate