Sự trao đổi saccharide

Chương 9 
Sự trao đổi saccharide
9.1. Sự phân giải saccharide
9.1.1. Sự phân giải polysaccharide và disaccharide
	Ngoài biện pháp dùng acid để phân giải thì polysaccharide và disaccharide còn có thể bị phân giải bởi sự thủy phân hay bởi quá trình phosphoryl- phân (phosphorolysis).
	Sự thủy phân như phân giải tinh bột thành glucose, maltose hay dextrin tùy thuộc vào tính chất của enzyme: a-amylase chỉ cắt liên kết a-D-glucosidic-1,4 có khả năng cắt khoảng giữa, b-amylase cũng chỉ cắt liên kết 1,4 nhưng có khả năng cắt bắt đầu từ đầu không khử,g -amylase đặc biệt được tổng hợp từ vi sinh vật có khả năng cắt liên kết 1,4 và enzyme loại trừ (khử) sự phân nhánh (debranching enzyme, có họat tính glucosidase) cắt dây nối 1,6 trong amylopectin và glycogen. Các polysaccharide bị thủy phân bởi cac enzyme tương ứng khác như cellulose là cellulase, pectin là pectinase,... 
Với các disaccharide sẽ bị phân giải thành các monose nhờ các enzyme tương ứng như sucrose bởi sucrase để tạo thành glucose và fructose, maltose bởi maltase để tạo thành 2 phân tử glucose...
Quá trình phosphoryl- phân (phosphorolysis) là quá trình tạo glucose-1-P nhờ enzyme phosphorylase (glycogen phosphorylase hay phosphorylase tinh bột) với sự hiện diên của ion phosphate. Phosphoryl- phân khác với sự thủy phân liên kết glucosidic là năng lượng giải phóng được dùng cho sự tạo liên kết ester trong glucose-1-P (Hình 9.1.)	
Enzyme phosphorylase có coenzyme: Pyridoxal phosphate, nhóm phosphate tấn công như chất xúc tác acid, tấn công liên kết glucosidic bằng Pi . Phosphorylase tấn công vào đầu không khử của glycogen (hay amylopectin) đến khi cách chổ phân nhánh 4 đơn vị glucose thì ngừng lại. Chúng sẽ họat động trở lại sau khi enzyme loại trừ (khử) sự phân nhánh (debranching enzyme) thực hiện chức năng transferase và glucosidase. (Hình 9.2.)
Các disaccharide cũng có thể bị phosphoryl-phân (phosphorolysis) bởi enzyme tương ứng để tạo ra một dẫn xuất phosphate của monose đồng thời giải phóng monose thứ hai. Ví dụ maltose phosphorylase chuyển hoá maltose thành glucose-1-P và glucose.
	 Hình 9.1. Sự phosphoryl-phân để tạo glucose-1-phosphate
9.1.2. Sự oxy hoá monosaccharide
	Dưới tác động của hệ thống nhiều enzyme khác nhau có trong ty thể, các monosaccharide bị oxy hóa để tạo ra CO2, H2O, các hợp chất cao năng và các sinh chất trung gian khác cần cho các quá trình hóa sinh xảy ra trong cơ thể. Sản phẩm tạo thành phụ thuộc vào điều kiện môi trường:
Hình 9.2: Sự phân giải glycogen bằng glycogen phosphorylase 
9.1.2.1. Quá trình phân giải kỵ khí( glycolysis)
	Quá trình này còn được gọi là quá trình Embden-Meyerhof-Parnas, đây là quá trình chuyển hóa hexose thành pyruvate trong điều kiện không có oxy, có thể khái quát sự chuyển hóa qua hai giai đọan gồm nhiều phản ứng trên hình 9.3.	 
Phản ứng 1: Glucose được phosphoryl hóa ở C6 để cho sản phẩm glucose-6-P, nguồn phosphate là ATP.
	Trong điều kiện tế bào đây là phản ứng một chiều, được xúc tác bởi enzyme hexokinase. Kinase là tên chung được dùng cho các enzyme xúc tác chuyển gốc phosphate từ ATP cho các chất nhận, lớp phụ của transferase . Hexokinase không những xúc tác sự phosphoryl hóa glucose mà còn xúc tác sự phosphoryl hóa các hexose khác như fructose, manose. Hexokinase, cũng như các kinase khác cần Mg2+ cho hoạt tính của nó vì cơ chất thật của enzyme không phải là ATP4- mà là ATP2-
 	Hexokinase phổ biến ở tất cả các loại tế bào. Tế bào gan trưởng thành có chứa hexokinase gọi là hexokinase D hay glucokinase đặc hiệu cho glucose, khác với các dạng khác về động học và tính chất điều hòa. 
Phản ứng 2: Chuyển hóa glucose-6-P thành fructose-6-P	
Enzyme phosphohexose isomerase xúc tác sự chuyển hóa đồng phân glucose-6-P thành fructose-6-P, biến một aldose thành một ketose.
Hình 9.3. Quá trình đường phân (glycolysis)
Phản ứng 3: Phosphoryl hóa fructose-6-P thành fructose1,6 biphosphate
	Trong điều kiện của tế bào phản ứng do PFK-1 xúc tác là phản ứng một chiều.
	Ở vi sinh vật, sinh vật đơn bào(protista) và hầu hết hay tất cả thực vật đều có phosphofructokinase dùng P~P, không dùng ATP làm nguồn cung cấp phosphate để tạo fructose1,6 biphosphate 
Phản ứng 4: Phân cắt Fructose 1,6 biphosphate 
Fructose1,6 biphosphate bị phân cắt thành triose phosphate :3-phosphate glyceraldehyde và dihydroxy acetonphosphate.
Aldolase của mô động vật có xương không cần cation hóa trị 2, nhưng nhiều aldolase của vi sinh vật cần Zn2+ cho họat động của chúng.
Glycogen, tinh bột, disaccharide, hexose đi vào pha chuẩn bị (preparatory phase) được thể hiện rõ ở hình 9.4.
Phản ứng 5: Chuyển hóa nội phân tử triose phosphate
	Chỉ một trong hai triose phosphate là aldose: 3-P glyceraldehyde tham gia tiếp vào quá trình đường phân. Nhưng dihydroxyaceton-P có thể được chuyển hóa thành 3-P glyceraldehyde nhờ triose phosphate isomerase.
 Hình 9.4: Mối liên quan giữa quá trình đường phân và một số saccharide
Phản ứng 6: Oxy hóa 3-P glyceraldehyde thành 1,3 biphosphoglycerate
 Xúc tác cho phản ứng này là enzyme 3-P glyceraldehyde dehydrogenase, có coenzyme NAD+, trong trung tâm hoạt động có nhóm -SH
	Cơ chế phản ứng đã được nghiên cứu đầy đủ:
Sau khi tạo phức hợp E-S và NADH+H+, là phức không bền nên khi có mặt phosphate vô cơ nó sẽ tạo thành 1,3 biphosphoglycerate và giải phóng enzyme ở trạng thái tự do.
Hình 9.5: Cơ chế tác động của glyceraldehyde 3 phosphate dehydrogenase
Phản ứng 7: Trong phản ứng này gốc phosphate cao năng của 1,3 biphosphoglycerate chuyển cho ADP để tạo ATP ( oxy hóa phosphoryl hóa mức cơ chất) và 3P glycerate
Phản ứng 8: Chuyển hóa 3P glycerate thành 2P glycerate (chuyển gốc P nội phân tử) nhờ enzyme phosphoglycerate mutase cần Mg2+ cho hoạt động của nó. Đây là phản ứng thuận nghịch:
Cơ chế:
Phản ứng 9: 2P glycerate bị loại nước để tạo thành phosphoenolpyruvate, là phản ứng thuận nghịch được xúc tác bởi enzyme enolase.
Phản ứng 10: Chuyển nhóm phosphate từ phosphoenolpyruvate đến ADP, phản ứng được xúc tác bởi pyruvat kinase, để tạo ATP và pyruvate.
	Pyruvat kinase bị kìm hãm bởi ATP, khi nồng độ ATP cao thì nó gây kìm hãm dị không gian. Ở động vật có xương sống pyruvat kinase có ít nhất 3 isozyme, hơi khác nhau trong phân bố ở các mô và trong việc đáp ứng đối với những chất điều hòa (modulator) .
Từ pyruvate, tuỳ thuộc mỗi cơ thể, điều kiện môi trường có thể chuyển hóa thành các sản phẩm khác nhau
(Động vật, thực vật và nhiều tế bào vi sinh vật trong điều kiện hiếu khí). 
Từ pyruvate có thể có 3 khả năng phân giải như trên, ngoài ra nó còn là nguồn để tổng hợp một số chất khác mà ta không đề cập ở đây.
	Trong điều kiện kị khí, pyruvate có thể lên men tạo lactic acid: Dưới tác dụng của lactate dehydrogenase, pyruvate bị khử thành lactic acid. Phản ứng này xảy ra trong mô cơ động vật sẽ tạo thành L-lactic acid, còn trong quá trình lên men do vi sinh vật gây ra (lên men sữa chua, muối dưa, cà …) sẽ tạo thành D-lactic acid.
Lên men rượu: Nấm men và một số vi khuẩn khác có thể chuyển hóa pyruvate thành ethanol và CO2. Quá trình trải qua 2 bước
Trong bước 1, pyruvate bị khử cacboxyl-hóa vốn được xúc tác bởi enzyme pyruvate decarboxylase, enzyme này cần Mg2+ và có coenzyme là TPP. Bước 2, acetaldehyde bị khử thành ethanol với NADH+H+ được tạo ra từ sự oxy hóa khử 3 P glyceraldehyde.
9.1.2.2. Quá trình phân giải háo khí glucose. Chu trình Krebs
Có thể chia quá trình này ra làm 4 giai đoạn chính:
	- Phân giải glucose thành pyruvate (xem quá trình đường phân).
	- Chuyển hóa pyruvate thành acetyl- CoA.
	- Oxy hóa acetyl- CoA thông qua chu trình Krebs (chu trình citric acid).
	- Oxy hóa các coenzyme khử qua chuổi hô hấp(xem phần khái niệm về sự trao đổi chất).
- Chuyển hóa pyruvate thành acetyl-CoA(hiếu khí)
- Oxy hóa acetyl-CoA qua chu trình Krebs: Do trong chu trình có mặt các sản phẩm trung gian là các di- và tricarboxylic nên chu trình Krebs còn có tên là chu trình tricarboxylic, hay chu trình citric acid. Chu trình Krebs bao gồm 8 phản ứng sau (Hình 9.6). 
Phản ứng 1: Là phản ứng trùng hợp acetyl-CoA và oxaloacetate để tạo thành citrate. Năng lượng cần cho sự trùng hợp do sự phân giải liên kết cao năng trong acetyl-CoA cung cấp. 
Phản ứng 2: Citrate bị biến đổi thành isocitrate, là quá trình thuận nghịch được xúc tác bởi enzyme aconitase.
	Cis-aconitate thường không tách khỏi enzyme, ở tế bào thường tạo isocitrate vì isocitrate sẽ được chuyển hóa tiếp theo trong chu trình, dù cân bằng ở pH= 7,4, nhiệt độ 25oC chỉ có it hơn 10% isocitrate. Isocitrate có nhóm H-C-OH, mà chỉ 2 nguyên tử hydro ở vị trí này mới dễ dàng tách khỏi cơ chất để kết hợp với coenzyme NAD+ hoặc NADP+.	
Phản ứng 3: 
Kết quả của sự oxy hóa dưới tác dụng xúc tác của enzyme isocitrate dehydrogenase là 2 nguyên tử hydro được chuyền cho NAD(P)+ và 1 nguyên tử C được tách ra khỏi cơ chất dưới dạng CO2. 
Phản ứng 4: Sản phẩm a ketoglutarate vừa bị oxy hóa vừa bị khử carboyl hóa dưới tác dụng xúc tác của phức enzyme α-ketoglutarate dehydrogenase. Giống như phản ứng 3, NADH+H+, CO2 và succinyl CoA được tạo thành. 
Phản ứng 5: 
Năng lượng trong liên kết cao năng của succinyl CoA được dùng để tạo ATP thông qua GTP. Đây là chặng phản ứng duy nhất của chu trình Krebs xảy ra sự tích lũy năng lượng trong ATP.
Phản ứng 6: 
 	Ở đây có sự kìm hãm cạnh tranh enzyme giữa succinate và malonate. Coenzyme khử FADH2 qua chuỗi hô hấp tạo ATP. 
	Phản ứng 7: Là phản ứng hydrate hóa fumarate để tạo malate dưới tác dụng của enzyme fumarase.
	Fumarase có tính đặc hiệu rất cao, xúc tác sự hydrate hóa nối đôi của fumarate (dạng trans) mà không tác động lên maleate( đồng phân dạng cis của fumarate).
Phản ứng 8: Malate tạo ra ở phản ứng 7 sẽ tiếp tục bị oxy hóa để cho ra oxaloacetate, enzyme xúc tác cho phản ứng này là malate dehydrogenase. Như vậy 1 vòng chu trình đã khép kín, oxaloacetate được tạo ra ở đây khác với oxaloacetate mở đầu của phản ứng 1 về thành phần carbon, oxaloacetate mới được bổ sung 2 carbon từ acetyl-CoA. Oxaloacetate mở đầu của phản ứng 1 có 2 carbon tham gia tạo CO2 ở phản ứng 3 và 4.
Ý nghĩa của quá trình đường phân và chu trình Krebs 
1/ Là các đường hướng phân giải tạo ra các sản phẩm trung gian để tạo thành các cơ chất khác nhau cần cho sự sống.
2/ Tạo các coenzyme khử và ATP.
Việc tạo ra năng lượng, sử dụng năng lượng và coenzyme khử qua quá trình đường phân (glycolyis) và chu trình Krebs được tóm tắt như sau:
Glucose→glucose 6-phosphate	-1 ATP
Fructose 6-phosphate → fructose 1,6-bisphosphate	-1 ATP
2 Glyceraldehyde 3-phosphate → 2 1,3-bisphosphoglycerate	2 NADH
2 1,3-Bisphosphoglycerate → 2 3-phosphoglycerate	2 ATP
2 Phosphoenolpyruvate → 2 pyruvate	2 ATP
2 Pyruvate → 2acety-CoA	2 NADH
2 Isocitrate → 2 α-ketoglutarate	2 NADH
2 α-Ketoglutarate → 2 succinyl-CoA	 	2 NADH
2 Succinyl-CoA → 2 succinate	2 ATP 
(hoặc 2 GTP)
2 Succinate → 2 fumarate	 	2 FADH2
2 Malate → 2 oxaloacetate	 	2 NADH
Chu trình citric acid
Hình 9.6. Sơ đồ tổng quát của chu trình citric acid
Ở thực vật và một số vi khuẩn còn có đường hướng khác trong việc chuyển hóa acetyl-CoA. Các phản ứng của sự chuyển hóa này tạo nên chu trình gọi là chu trình glyoxylate. Giữa chu trình này và chu trình Krebs có những giai đọan giống nhau (hình 9.7).
Hình 9.7. Tóm tắt chu trình glyoxylate
9.1.2.3. Chu trình pentose phosphate
Là sự phân giải trực tiếp glucose 6 Phosphate không qua quá trình đường phân, gồm 2 giai đoạn oxy hóa và tái tạo hexose phosphate.
	Pentose phosphate (hexose monophosphate) gây ra sự oxy hóa và sự khử carboxyl hóa C1 của glucose 6 Phosphate, khử NADP+ thành NADPH và pentose phosphate.
	NADPH cần cho các phản ứng sinh tổng hợp và pentose phosphate cần cho sự tổng hợp nucleotid và nucleic acid.
	Pha thứ nhất của pentose phosphate là qúa trình oxy hóa glucose 6 Phosphate để tạo ribulose 5 phosphate và khử NADP+ thành NADPH. Pha thứ hai (nonoxidative) chuyển hóa pentose phosphate thành glucose 6 Phosphate và bắt đầu chu trình trở lại.
Hình 9.8. Sơ đồ pha thứ nhất của chu trình pentose phosphate
	Trong pha thứ hai, các phản ứng được xúc tác bởi transaldolase và transketolase. 
Hình 9.9. Sơ đồ pha thứ hai của chu trình pentose phosphate
9.2. Sự tổng hợp saccharide
9.2.1. Sự tổng hợp saccharide đơn giản. Quá trình quang hợp
	Cây xanh có thể hấp thụ CO2, khử nó thành saccharide. Đây là quá trình cần có sự tham gia của ánh sáng và diệp lục . Ta có thể khái quát quá trình quang hợp bằng phản ứng sau: 
	Quá trình quang hợp gồm hai giai đoạn và có chức năng riêng:
 Giai đoạn 1: Xảy ra quá trình quang phân ly nước đồng thời giải phóng oxy phân tử:
Cùng chlorophill và hệ thống chuyền điện tử, ATP sẽ được tổng hợp từ ADP và H3PO4. Vì vậy người ta còn gọi quá trình này là sự phosphoryl hóa quang hợp hay quang phosphoryl hóa.
 Theo Arnon, hình như điện tử bị tách ra khỏi clorophyll a khi được kích họat bởi photon nó sẽ đi theo hai con đường khác nhau:
Con đường quang phosphoryl hóa vòng xảy ra ở hệ quang hóa I, điện tử xuất phát từ P700 qua hệ thống chuyền điện tử rồi trở lại P700. Con đường này chỉ cho phép tổng hợp ATP.
Con đường quang phosphoryl hóa không vòng xảy ra khi có sự tham gia của hệ quang hoá I và II, Con đường này cho phép tổng hợp ATP và NADPH2. 
Khi mất điện tử, chlorophyll của hệ I tiếp tục nhận điện tử ở hệ II qua các khâu chuyền trung gian . Điện tử của phân tử sắc tố hệ II được bổ sung từ H2O. Như vậy con đường đi của điện tử trong quá trình này không khép kín và được gọi là quá trình quang phosphoryl hóa không vòng (hình9.10). 
Giai đoạn 2: khử CO2 thành saccharide nhờ NADPH và ATP được tổng hợp ở giai đoạn 1. Tùy theo cơ chế, người ta phân biệt:
 Hình 9.10 : Sơ đồ tóm tắt quá trình vận chuyển điện tử ở quang phosphoryl hoá không vòng 
Chu trình Calvin ( chu trình C3):
Chu trình cố định CO2 này do M. Calvin và cộng sự tìm ra năm 1951 và được gọi là chu trình Calvin hay chu trình C3. 
Đầu tiên phân tử CO2 kết hợp với ribulose 1,5 biphosphate để tạo 2 phân tử 3-phosphoglycerate. Hai phân tử 3-phosphoglycerate được phosphoryl hóa nhờ enzyme 3-phosphoglycerate kinase xúc tác tạo thành 1,3-biphosphoglycerat. Chất này bị khử dưới tác dụng của glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase để chuyển thành glyceraldehyde 3-phosphate (hình 9.11, 9.12).
Hình 9.11. Sự kết hợp CO2 vào ribulose1,5-biphosphate
Hình 9.12 : Sự tổng hợp đường và tinh bột ở tế bào thực vật
Nhờ tác dụng đồng phân hóa của triose phosphate isomerase: glyceraldehyde 3-phosphate tạo thành dihydroxyacetone phosphate.
Sau đó có sự kết hợp giữa 2 phân tử glyceraldehyde 3- phosphate và dihydroxyacetone phosphate bằng phản ứng chuyền aldose để tạo thành fructose 1,6 bi phosphate.
 Fructose 1, 6 biphosphate mất di 1 phosphate tạo thành fructose 6 phosphate, nó chính là nguyên liệu để tạo thành các hexose khác như glucose 6 phosphate. Từ các dạng đường này tổng hợp các oligosaccharide và polysaccharide khác (hình 9.12).
Một phần fructose 6 phosphate chuyển hóa thành ribulose 1,5-biphosphate, đồng thời khép kín chu trình (hình 9.13).
Hình 9.13: Sự tạo thành phân tử khởi đầu chu trình Calvin - ribulose 1,5-biphosphate
Ghi chú: Các enzyme xúc tác cho chuỗi phản ứng:
(1) Transaldolase 2)Fructose 1,6 -biphosphatase , 3)Transketolase , 4)Transaldolase , 5)Sepdoheptulose 1,7-biphosphatase , 6)Transketolase , 7)Ribose 5-phosphate isomerase , 8)Ribulose 5-phosphate epimerase , 9)Ribulose 5-phosphate kinase.
Chu trình C3 là chu trình cơ bản nhất của thế giới thực vật xảy ra trong tất cả thực vật, dù là thực vật bậc cao hay bậc thấp, dù thực vật C3, C4 hay thực vật CAM. 
Chu trình Hatch-Slack (chu trình C4) : 
Năm 1966, hai nhà khoa học là Hatch và Slack nghiên cứu và phát hiện ra ngoài chu trình Calvin, một số thực vật nhiệt đới như lúa miến, ngô, mía, cỏ gà... có quá trình đồng hoá CO2 theo con đường khác. Ở thực vật này sản phẩm quang hợp đầu tiên của quang hợp là oxalo acetic acid, một phân tử có 4 carbon, chứ không phải là 3-phosphoglycerate . Chu trình cố định CO2 như vậy gọi là chu trình C4 hay chu trình Hatch-Slack và các thực vật cố định CO2 theo con đường này gọi là thực vật C4.
Có sự chuyên hoá trong việc thực hiện chức năng quang hợp của cây C4: một loại lục lạp chuyên trách cố định CO2 với hiệu quả cao nhất, còn một loại lục lạp chuyên khử CO2 thành các chất hữu cơ cho cây. Vì vậy mà hoạt động quang hợp của cây C4 có hiệu quả hơn các nhóm thực vật khác. Kết quả là năng suất sinh học của cây C4 thường rất cao.
Hình 9.12. Chu trình Hatch-Slack
Con đường cố định CO2 ở thực vật CAM(Crassulaceae Acidetabolism) 
Đây là con đường quang hợp thích nghi với điều kiện khô hạn của thực vật mọng nước. Nhờ con đường quang hợp này mà khả năng chịu hạn của chúng rất cao, hơn hẳn các thực vật chịu hạn khác.Do quang hợp trong điều kiện quá khó khăn nên cường độ quang hợp của các thực vật nhóm này thường thấp, năng suất sinh học không cao và sinh trưởng chậm hơn các thực vật khác.
Quá trình cố định CO2: quá trình cố định CO2 được thực hiện vào ban đêm. Ban đêm khi nhiệt độ không khí giảm xuống thì khí khổng mở ra để thoát hơi nước và CO2 sẽ xâm nhập vào lá qua khí khổng mở. 
Quá trình tổng hợp monosaccharide (quá trình khử CO2): quá trình này diễn ra vào ban ngày khi có ánh sáng hoạt hoá hệ thống quang hoá và khí khổng đóng lại. 
Malic acid bị khử carboxyl hoá để giải phóng CO2 cung cấp cho chu trình C3.
9.2.2. Tổng hợp oligosaccharide 
Sự sinh tổng hợp oligosaccharide bằng phản ứng chuyền gốc glucosyl, dưới tác dụng của enzyme : glucosyl transferase, ví dụ:
Ngoài ra dạng UDP-glucose cũng dễ dàng chuyền glucose cho fructose để tạo thành sucrose. Các dẫn xuất UDP của đường là những chất cho gốc glucosyl rất hoạt động (Hình 9.13.)
Tổng hợp polysacharide cũng xảy ra bằng con đường chuyển gốc glucosyl như tổng hợp oligosaccharide . Chất cho gốc glucosyl còn có thể là oligosaccharide như maltose, sucrose…
Sự chuyển gốc không chỉ tới C4 mà tới cả C6 để tạo mạch nhánh.
Hình 9.13. Sự tạo thành Sucrose từ UDP - glucose và Fructose 6 - phosphate
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu tiếng Việt
1. Phạm Thị Trân Châu, Trần thi Áng. 1999. Hoá sinh học, NXB Giáo dục, Hà nội.
2. Đỗ Quý Hai. 2004. Giáo trình Hóa sinh đại cương, Tài liệu lưu hành nội bộ Trường ĐHKH Huế.
3. Võ Mai Hương. 2004. Giáo trình Sinh lý thực vật, Tài liệu lưu hành nội bộ Trường ĐHKH Huế. 
4. Trần Thanh Phong. 2004. Giáo trình Hóa sinh đại cương, Tài liệu lưu hành nội bộ Trường ĐHKH Huế.
Tài liệu tiếng Anh
1. Halliwell, R. 1984.Chloroplast Metabolism: the structure and function of Chloroplast in green leaf cells, Clarendon, Oxford.
2. Lehninger A. L.. 2004. Principles of Biochemistry, 4th Edition. W.H Freeman.