Chương 8 Các chất có nguồn gốc thứ cấp

1BÀI GIẢNG SINH HÓA HỌC PHẦN I – SINH HÓA HỌC TĨNH Chương 8 CÁC CHẤT CÓ NGUỒN GỐC THỨ CẤP NỘI DUNG 1. ĐẠI CƯƠNG 2. PHÂN LOẠI 1. ĐẠI CƯƠNG • Trong tế bào thực vật ngoài các hợp chất chính như G, L, P, NA, vitamin còn có một số hợp chất khác có thành phần cấu tạo hóa học rất khác nhau được gọi là “các chất có nguồn gốc thứ cấp”. • Một số lớn là s/p trung gian của qúa trình TĐC, TD như các acid hữu cơ, chúng hiện diện trong tế bào TV không nhiều, vì khi hình thành chúng sẽ được tế bào sử dụng ngay làm nguyên liệu cho các qúa trình tổng hợp các chất khác. Tuy nhiên một số chất lại hiện diện với số lượng nhiều như cao su, tinh dầu, alkaloid. Do đó danh từ “các chất có nguồn gốc thứ cấp” được sử dụng với nghĩa rất quy ước. • Tuy trong tế bào thực vật các chất có nguồn gốc thứ cấp hiện diện với một lượng không nhiều, nhưng chúng đóng một vai trò rất quan trọng trong sự chuyển hóa ở thực vật. Hàng loạt các chất này ở một mức độ đáng kể quy định - tính đặc thù của các loài thực vật, - gía trị thực phẩm và - gía trị mùi vị của nhiều sản phẩm khác nhau, nhiều chất trong nhóm này được sử dụng trong công nghệ thực phẩm và y học. 22. PHÂN LOẠI • Trong thực vật các chất có nguồn gốc thứ cấp có thể phân thành các nhóm : - Các chất gây chua; - Các chất gây hương; - Các chất gây vị; - Các chất gây màu; - Các chất có hoạt tính sinh học. • Dựa theo thành phần cấu tạo có thể phân chia các chất có nguồn gốc thứ cấp thành 6 nhóm. Đó là : 2.1. Các acid hữu cơ 2.2. Isoprenoid 2.3. Alkaloid 2.4. Nhóm sắc tố flavonoid 2.5. Glycosid 2.6. Các chất điều hòa sinh trưởng ở thực vật 2.1. CÁC ACID HỮU CƠ • Các acid hữu cơ (một chức, hai chức và ba chức) gặp rất phổ biến ở nhiều loài thực vật. Chúng tạo ra vị chua. Ester của chúng tạo mùi đặc trưng của các loại qủa. • Acid hữu cơ là sản phẩm trung gian của các qúa trình oxy hóa glucid, lipid và amino acid và là nguồn nguyên liệu để tổng hợp nhiều chất khác nhau, bởi vậy chúng có vai trò là “chất ngã ba đường” nối liền sự chuyển hóa của glucid, lipid và amino acid . Baûng 8.1 : Caùc acid höõu cô aliphatic thöôøng gaëp trong thöïc vaät Sử dụng trong CN Coù hoaït tính sinh lyù cao Có tính độc Coù hoaït tính sinh lyù cao Taùo, daïng ester Caùc loaïi quaû vaø nöôùc quaû Ởû daïïng muoái trong t/b t/v Laù caây hoï ñaäu, chanh Trong caùc loaïi hoa, taùo, maän H-COOH CH3-COOH CH3-CH2-COOH CH3-CHOH-COOH CH3-CO-COOH CH3-CH2-CH2-COOH (CH3)2-CH-CH2-COOH HOOC-COOH HOOC-CH2- COOH HOOC-CH2-CH2- COOH HOOC-CH=CH- COOH Formic Acetic Propionic Lactic Pyruvic n-Butyric Isovaleric Oxalic Malonic Succinic Fumaric Coâng duïngNguoànCaáu taïoTeân acid 3Baûng 8.1 : Caùc acid höõu cô aliphatic thöôøng gaëp trong thöïc vaät Qủa táo, lê, mơ Nho Cam, chanh, daïng muoái trong thuoác laù HOOC-CHOH-CH2- COOH HOOC-CO-CH2- COOH HOOC-CHOH-CHOH- COOH HOOC-CH2-C(OH)CH2- COOH COOH HOOC-CH2-CH-CHOH-COOH COOH CH2OH-(CHOH)4-COOH Malic Oxaloacetic Tartric Citric Isocitric Gluconic Coâng duïngNguoànCaáu taïoTeân acid
Tính chất – Acid mạch dài : kém bay hơi; – Acid mạch ngắn : dễ bay hơi; – Một số acid chứa nhân thơm như acid galic→ a.shikimic, chiết xuất từ hoa cây hồi, làm nguyên liệu tổng hợp tamiflu. – Ngoài tạo vị chua, các acid hữu cơ ở dạng ester tạo mùi đặc trưng của qủa.
Định lượng acid bằng cách chuẩn độ với base. Nho→ quy về acid tartric, Táo→ quy về acid malic. COOH OH OH HO COOH OH OH HO Acid galic Acid shikimic Baûng 8.2 : Ester cuûa moät soá acid höõu cô qui ñònh muøi cuûa quaû Chuoái Cam Ñaøo Leâ Taùo Amyl acetate Octil acetate Methyl butyrate Isoamyl butyrate Ester cuûa röôïu isoamilic với acid isovaleric Muøi cuûa quaûEster
Ứng dụng • Lên men VSV để tạo acid; • Kết hợp vị chua + ngọt để tăng ngon miệng; • Điều chỉnh pH để bảo quản sản phẩm (giảm pH); tăng hiệu qủa của vị hương; • Chỉ thị mức độ pha loãng của sản phẩm chứa acid citric và isocitric; • Acid citric còn giúp tạo gel pectin, giảm kết tinh đường, tạo phức với ion kim loại hóa trị 2, 3 để làm chậm qúa trình oxy hóa các acid béo chứa nối đôi. 42.2. ISOPRENOID • Là các chất dẫn xuất từ isoprene (C5H8) : CH2 = C – CH = CH2 CH3 CÁC HỢP CHẤT ISOPRENOID gutta-peccha (chất đồng phân trans của cao su, 100 gốc isoprene - Licopene (cà chua, không có hoạt tính vitamin, h/l tăng gấp 10 lần khi qủa chín - Carotene (α-β-γ) - Terpen mạch thẳng - Terpen mạch vòng Cao su cis- Polyisoprene (C5H8)n Carotenoid Tetraterpen C40H56 Nhóm sắc tố vàng, da cam, đỏ, hòa tan trong chất béo Terpen (Tinh dầu) Là các chất trùng phân của isoprene (C5H8)n Phổ biến là monoterpen C10H16 TINH DẦU (terpen) • Tinh dầu là hỗn hợp của nhiều hợp chất hữu cơ khác nhau mà thành phần chủ yếu là terpen và các sản phẩm oxy hóa của chúng và phải có nồng độ nhất định để cảm nhận được. • Tinh dầu dễ bay hơi (nhận biết qua khứu giác), không tan trong nước nhưng bị lôi cuốn theo nước khi chưng cất. • Đại biểu của loại terpen mạch thẳng (loại này thường có 3 nối đôi) là myrcene và oxymen : H3C C=CH-CH2-CH2-C-CH=CH2 H3C CH2 CH3 CH3 CH2=C-CH2-CH2-CH=C-CH=CH2 Myrcene Oxymen 5• Monoterpen đơn vòng phổ biến và quan trọng nhất là limonene và dẫn xuất chứa oxygen của nó là menton và campho : H3C-C=CH2 CH3 H3C-C=CH2 CH3 H3C-C=CH2 CH3 CH3 OH = O = O Limonen Mentol (rượu) Menton (tinh dầu bạc hà, dầu cao sao vàng, kẹo bạc hà) Campho (cây long não, hương nhu) CAROTENOID (C40H56) H2C C H C CH3 CH2 Isoprene β- Carotene Lycopene 2 pt vitamin A β- Carotene α- Carotene γ Carotene CAO SU (cis-poly isoprene )
Khoảng 2000 loài thưc vật có khả năng tổng hợp cao su, trong đó chỉ có 500 loài t/h số lượng đáng kể. Cao su chứa 500 – 5000 đơn vị isoprene.
Một chất trùng phân khác là gutta-peccha (chất đồng phân trans hoàn toàn của cao su, chứa khoảng 100 gốc isoprene, là chất cách điện rất quan trọng.
Có mối quan hệ mật thiết giữa isoprene, các hợp chất terpen, các carotenoid và cao su. Tất cả các hợp chất này đều được tổng hợp từ nguyên liệu acetyl-CoA. Tùy thuộc vào tuổi cây và điều kiện canh tác, trong một thời điểm nào đó cây sẽ tích lũy hoặc tinh dầu, hoặc cao su nhiều hơn. 6H3C H CH3 H CH3 H R C=C C=C C=C H2C CH2-CH2 CH2-CH2 CH2 - R H3C CH2-CH2 H CH3 CH2-R R C=C C=C C=C H2C H CH3 CH2-CH2 H Dạng cis-poly isoprene của cao su Dạng trans-poly isoprene của gutta-peccha 2.3. ALKALOID • Bắt nguồn từ tiếng Ả rập algali = kiềm. • Là những chất dị vòng có chứa N, có tính kiềm, có tác dụng sinh lý mạnh. • Các loại cây chứa alkaloid có ý nghĩa kinh tế rất lớn như trà, cà phê, thuốc lá… • Một số loại sử dụng chữa bệnh tim, bệnh đường ruột, thần kinh và các bệnh khác ở người và động vật. Dùng liều cao có hại cho sức khỏe.
Một số loại rất độc với người và động vật, được sử dụng làm thuốc trừ sâu.
Trong miễn dịch học TV, alkaloid là một trong những nhóm chất có vai trò trong các p/ư tự vệ, chống sự xâm nhiễm, lây lan, phá hoại của các loài vật gây hại khác nhau ở thực vật. CÁC ALKALOID ĐIỂN HÌNH • Rixinin (thầu dầu) • Piperin (ớt) • Nicotine (thuốc lá) • Atropine (alkaloid tổng hợp) • Cocain (coca) • Caffeine (trà, cà phê, ca cao). 7Các alkaloid điển hình
Rixinin : dẫn xuất của pyridine, có trong tất cả các bộ phân cây thầu dầu, có chứa nhóm CN nên rất độc. Bã khô dầu thầu dầu không thể sử dụng làm thức ăn gia súc.
Piperin : cũng là dx của pyridine, không độc, gây cảm giác cay của ớt. O-CH3 CH3 -CN N CO-CH=CH-CH=CH N O CH2 -O Rixinin Piperin
Nicotine : cấu tạo từ vòng pyridine và pyrolidine, có trong cây thuốc lá. Tác dụng mạnh trên hệ thần kinh trung ương và tk ngoại vi, gây co mạch máu → tăng huyết áp. Liều gây chết 0,01 – 0,04 gam. Chỉ sử dụng làm thuốc trị bệnh ngòai da gia súc và thuốc trừ sâu. CH3 N N Nicotine
Atropine : Là một trong những alkaloid quan trọng, tác dụng lên hệ thần kinh. Sử dụng làm giãn con ngươi, giải độc khi ngộ độc nicotine, liều điều trị : 0,001 – 0,003g. Liều cao hơn sẽ độc. O O N N H3 C N N CH3 CH3 Caffeine (1,3,7- trimethylxanthine
Cocain : Cấu tạo gần giống atropin, có trong cây coca ở nam Mỹ, hiện được trồng ở nhiều nước, hàm lượng trong lá đạt 1 – 2%. Cocain làm tê liệt đầu mút dây thần kinh cảm giác, được dùng làm chất gây tê bộ phận. Tác dụng lên hệ thàn kinh trung ương, là chất gây nghiện. Liều độc : 0,2g
Caffeine : có trong cây cà phê, chè, cây cacao và một số cây khác; kích thích hệ thần kinh trung ương và hoạt động của tim, ngoài ra còn có tác dụng thông tiểu. 2.4. NHÓM SẮC TỐ FLAVONOID • Là các hợp chất có dạng C6-C3-C6 • Chúng quy định màu sắc của hoa, lá, qủa, thân, làm cho chúng có sắc vàng, đỏ, xanh … khác nhau. • Khác với nhóm carotenoid vốn cũng có màu vàng và đỏ và không tan trong nước, các glucosid của flavonoid đều tan trong nước. • Flavonoid là dẫn xuất của flavan : O C6 C3 C6 8Flavonoid bao gồm ba nhóm chính : • Anthocyanin cho màu đỏ, xanh, tím; • Anthoxanthin và flavone cho màu vàng; • Tanin thực phẩm : bao gồm catechin và leucoanthocyanin không màu. ANTHOCYANIN • Các hợp chất thuộc nhóm này đều là những sắc tố quan trọng của hoa qủa, chúng làm hoa qủa có màu xanh đỏ với nhiều sắc thái khác nhau. • Các anthocyanin hiện diện trong thực vật ở dạng h/c glycosid với 1 hay 2 phân tử đường đơn như glucose, galactose, ramnose và có khi là pentose : Anthocyanin→ Anthocyanidin (aglicon) + monose. • Có 3 loại anthocyanidin tìm thấy trong mô thực vật : - pelagonidin, - cyanidin (phổ biến nhất), - delphinidin O+ HO OH OH - OH Pelagonidin O+ HO OH OH OH - OH Cyanidin O+ HO OH OH OH - OH Delphinidin OH • Màu sắc của các anthocyanin phụ thuộc vào pH, nhiệt độ và nhiều yếu tố khác. Thí dụ : Cyanin ở pH ≤ 3 : màu đỏ pH = 8,5 : màu tím, pH = 11 : màu xanh. • Việc tăng nhóm OH trong phân tử anthocyanidin sẽ làm tăng cường độ màu xanh, còn khi tăng mức độ methyl hóa các nhóm OH ở vòng benzen càng cao thì màu càng đỏ. 9ANTHOXANTHIN và FLAVONE • Là những sắc tố màu vàng, hòa tan trong dịch tế bào (cần phân biệt với sắc tố vàng cam của carotenoid hòa tan trong chất béo), thường ở dạng glycosid (liên kết với một hay 2 p/t monosaccharide). • Flavone cho nhiều dẫn xuất như : flavonol, flavanonol và isoflavone. • Một số flavone thường gặp : oQuercetin : trong vỏ củ hành, chanh, quýt, trong houblon; oApigenin là glycosid có trong cây ngò và thược dược; oHesperitin là sắc tố của cam, chanh. O O O O OH O O CHOH Flavone Flavonol Flavanonol CATECHIN VÀ LEUCOANTHOCYANIN Các chất này vô sắc, nhưng phản ứng với kim loại đều cho màu. O HO OH - OH Catechin OH O HO OH - OH OH OH OH OH OH Leucoanthocyanin • Catechin là cấu tử của chất tanin thu được từ một số cây như bạch dương, thông, liễu và nhất là trong chồi non cây chè. Catechin còn có trong một số loại qủa như lê, táo, mận, nho. • Các tanin thiên nhiên đều là hỗn hợp của acid galic và acid digalic ở dạng tự do cũng như dạng kết hợp với glucose. • Dưới tác dụng của tanin, protein bị đông vón, da nguyên sẽ biến thành da thuộc, chúng rất bền với nước và các vi khuẩn gây tối, cũng như có tính dẻo, đàn hồi. 10 2.5. GLYCOSID Glycosid là dẫn xuất của đường đơn liên kết với các chất khác không phải là đường (gọi là aglycon, có thể là rượu hay hợp chất thơm khác) qua nhóm OH-glycosid (lk glycosidic). Ba loại phổ biến : – Glycosid cyanogen : chứa gốc CN → độc – Glycosid mù tạt : vị cay nồng – Glycosid của alkaloid : • Saponin : không chứa N; độc; yếu tố tạo bọt. • Solanin có nhiều trong mầm khoai tây. GLYCOSID CYANOGEN • Đây là những glycosid có vòng thơm và thủy phân cho HCN → rất độc vì gốc –CN ức chế các enzyme hô hấp. • Có nhiều trong hạt táo, mận, đào, hạnh nhân. Chúng có vị cay và mùi khó chịu. Thí dụ chất amigladin : CH – CN← gốc cyanure O – C12H22O10← gốc gentibiose Amigladin Glycosid của dầu mù tạt • Là ester của acid isothiocyanic, có nhiều trong họ thực vật mù tạt, chúng ở trạng thái tự do hay kết hợp với glucid để tạo glycosid. • Sinigrin là glycosid của dầu mù tạt được biết nhiều nhất. Dầu mù tạt có vị nồng, làm cay mắt, có thể làm bỏng da. Sinigrin bị thủy phân bới mirosinase theo p/ư : SC6H12O5 CH2=CH-CH2-N=C + H2O OSO2OK CH2=CH-CH2-N=C=S + C6H12O6 + KHSO4 Mirosinase Glycosid alkaloid Đây là những glycosid mà phần aglycon là alkaloid. Phổ biến nhất là saponin và solanin.
Saponin có phần aglycon là dẫn xuất của cyclopentano- perhydrophenantren (sapogenin), đặc biệt trong p/tử không chứa N. Saponin có khả năng phá hủy hồng cầu, trong y học được sử dụng dưới tên “glycosid tim”. Saponin có mặt ở nhiều loài thực vật, hàm lượng cao nhất khi cây bắt đầu ra hoa. Saponin rất độc nhưng cũng là yếu tố tạo bọt rất tốt, vì vậy người ta sử dụng chúng trong cứu hỏa.
Solanin có nhiều trong mầm khoai tây, nhất là khi bảo quản khoai tây ngoài ánh sáng. Solanin thường có phần aglucon giống nhau, là d/x của phenantren, nhưng phần glucid thường khác nhau. 11 2.6. CÁC CHẤT ĐIỀU HÒA SINH TRƯỞNG Ở THỰC VẬT (Phytohormone) • Ngày nay người ta đã phát hiện ra hàng loạt các chất có tác dụng kích thích sinh trưởng đối với toàn cơ thể thực vật hoặc đối với từng bộ phận (ra hoa, nảy mầm, ra rễ …). • Các chất điều hòa sinh trưởng ở TV thường gặp là : - Auxine (IAA) - Gibberelline (GA3) - Cytokinine (Zeatin) - Ethylen, - Chất ức chế sinh trưởng (abscisic acid). AUXINE • Auxine tiếng Hy lạp có nghĩa là sinh trưởng. • Chất quan trọng nhất trong nhóm auxine là heteroauxine, là indol acetic acid (viết tắt IAA). Các VSV đường ruột cũng sản xuất IAA, nên người ta tìm thấy IAA trong nước tiểu. • Trong nông nghiệp người ta sử dụng IAA để kích thích hình thành rễ nhanh ở các chồi, các cành chiết , như cam, chanh … • IAA dễ dàng tham gia hình thành các hợp chất với protein, amino acid, đường và phenol. Những phức hợp này đều là dạng dự trữ của các hormone trong các bộ phận ngủ nghỉ và các bộ phận ít phát triển của cây. • Ngày nay người ta đã tổng hợp được hàng loạt chất nhóm auxine giống IAA như : - NAA (naphtalen acetic acid), - IBA (indol butyric acid), - 1,4-D (dichlorophenoxy acetic acid), - 2,4,5-T (trichlorophenoxy acetic acid) - 2,4-D : chất diệt cỏ, khai quang. -CH2-COOH NH -CH2-CH2-CH2-COOH NH Indol acetic acid (IAA) Indol butyric acid (IBA) 12 GIBBERELLINE • Gibbereline là tên gọi chung của 62 chất hóa học tương tự nhau được ký hiệu từ GA1 đến GA62. Phổ biến nhất là GA3- Gibberellic Acid. • Gibberelline có tác dụng kéo dài tế bào, tăng phân bào, kích thích sự ra hoa của thực vật dài ngày, chúng có liên quan đến một protein cảm quang là phytochrome. O HO CH3 COOH CH2 OH CO
Người ta sử dụng gibberelline làm tăng nhanh sự nảy mầm của yến mạch khi chế biến mạch nha, cũng như tạo nho không hạt và tăng năng suất nho. Gibberelline ETHYLEN • Ethylen được xem là chất điều hòa sinh trưởng vì nó kích thích qủa mau chín, khoai tây mau mọc mầm, dứa ra hoa trái vụ …Ethylen được tạo ra khi hạt đang nảy mầm, hoa đang nở, qủa đang chín … • Ethylen thường được sử dụng : - Tăng năng suất mủ cao su : bôi chế phẩm ethrel (có chứa ethylen) lên vết cạo, chất này sẽ hoạt hóa một số enzyme và làm mủ không đông kết bít các tuyến mủ, làm tăng lượng mủ thu được. - Xử lý dứa ra hoa quanh năm và đồng loạt; - Xử lý qủa chín sớm, chín đều, màu đẹp. CYTOKININE • Là nhóm chất điều hòa sinh trưởng rất quan trọng, chúng được tìm thấy trong nước dừa, mầm ngô, hạt, qủa, dịch chiết từ rễ… • Tác dụng của cytokinine : - Thúc đẩy sự tăng trưởng và phân chia tế bào, liên quan đến sự tổng hợp protein trong tế bào. - Thúc đẩy sự phát triển chồi nách, giải phóng cây khỏi sự ức chế của chồi ngọn, ức chế sự tạo rễ. - Ức chế sự lão hóa của mô, hoa cắt cành. • Một số cytokine phổ biến : - Kinetin (6-fucfurylmethyl amino purine) - Zeatin trong hạt bắp chưa chín, - 6-dimethylallyl amino purine, có mặt trong tDNA, đóng vai trò là một base hiếm trong loại DNA này. - Diphenyl urea chiết xuất từ nước dừa, kích thích rất mạnh sự phân chia tế bào thực vật. 13 NH– CH2 N N N H N O NH– CH2- CH = C- CH3 CH2OH N N N H N Kinetin Zeatin HN C=O HN HN C=O HN HN C=O HN Diphenyl urea NH– CH2- CH = C- CH3 CH3 N N N H N 6-dimethylallyl amino purine CHẤT KÌM HÃM SINH TRƯỞNG • Ngoài các chất kích thích sinh trưởng, trong thực vật người ta còn phát hiện thấy một loại chất kìm hãm sự sinh trưởng và phát triển của chúng. Các chất này được gọi là chất kìm hãm sinh trưởng tự nhiên. • Khi thực vật bước vào trạng thái ngủ nghỉ đều có kèm theo sự tích lũy các chất ức chế sinh trưởng, được gọi tên chung là dormine (tiếng Anh “dormancy” là yên nghỉ, ngủ). • Sự rụng lá ở thực vật được điều hòa bởi những chất gọi là abscisin (tiếng Anh “abscission” là sự loại trừ). Hai chất trên là một, đó là một isoprenoid, có tên là abscisic acid. • Dormine giúp cây dự trữ chất dinh dưỡng, giúp chồi non tạm nghỉ vượt qua điều kiện khắc nghiệt của mùa đông. • Ứng dụng chất ức chế sinh trưởng vào bảo quản nông sản, gia tăng gía trị thương phẩm của nông sản. Thí dụ xử lý khoai tây với nồng độ dormine thích hợp sẽ ức chế sự nảy mầm khi bảo quản. CH3CH3 CH3 CH3 COOH O Abscisic acid OH