Chương II - Biến dưỡng glucid

1BÀI GIẢNG SINH HÓA HỌC Phần II TRAO ĐỔI CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG SINH HỌC Chương II- BIẾN DƯỠNG GLUCID TP.HCM - 2007 2 Chương II SỰ BIẾN DƯỠNG GLUCID 1. Vai trò của biến dưỡng glucid 2. Sự tiêu hóa và hấp thu 3. Biến dưỡng glycogen 4. Sự đường phân 5. Chu trình Krebs 6. Chu trình pentose phosphate 7. Sự tân sinh đường 8. Điều hòa biến dưỡng glucid 3 1. VAI TRÒ CỦA SỰ BIẾN DƯỠNG GLUCID
Nguồn gốc : - Ngoại sinh : thức ăn tinh bột, đường đôi, cellulose. - Nội sinh : thoái biến glycogen dự trữ , tân sinh đường từ amino acid, glycerol, lactate.
Vai trò : - Cung cấp 70 – 80% nhu cầu năng lượng, - Cấu tạo mô bào (glycoprotein) - Khử độc (acid glucuronic) 4 2.TIÊU HÓA  TIÊU HÓA TINH BỘT (thú dạ dày đơn – một túi) TIÊU HÓA CELLULOSE (thú dạ dày kép – bốn túi) 25 TIÊU HÓA TINH BỘT - Chủ yếu xẩy ra ở ruột non. - Các enzyme và tác động : (1) α-amylase (nước bọt, dịch ruột, dịch tụy) (α 1→ 4 glucan hydrolase) → thủy phân tất cả các liên kết glycosidic α (1→4) của amylose và AP TINH BỘT oligosaccharide + maltose + glucose và dextrin (chứa LK 1→ 6) (2) α 1→ 6 glucosidase (dịch ruột) : cắt liên kết 1→ 6 (3) Maltase : thủy phân maltose → 2 glucose (4) β-amylase (thực vật): p/giải tinh bột→ maltose 6 TIÊU HÓA CELLULOSE
Cellulose là thức ăn glucid quan trọng của thú nhai lại dạ dày kép (4 túi): dạ cỏ, dạ tổ ong, dạ dày trước dạ lá sách và dạ múi khế (dạ dày tuyến)
Sự tiêu hóa xẩy ra chủ yếu ở dạ cỏ nhờ hệ vi sinh vật ký sinh ở đó (protozoa, nấm và vi khuẩn). Kết quả trong một ngày đêm tạo ra khoảng 4 kg các acid béo bay hơi, trong đó : - Acid acetic : 75% - Acid propionic : 15% - Acid butyric : 10% 7 Hình 4.1. HỆ THỐNG TIÊU HĨA THÚ NHAI LẠI 1. Receptor khoang miệng 2. Đường dẫn từ receptor khoang miệng 3. Trung khu thần kinh hành tủy 4. Sợi ly tâm đi vào thần kinh mê tẩu 5. Thực quản 6. Dạ cỏ 7. Rãnh thực quản 8. Dạ tổ ong 9. Dạ lá sách 10. Dạ múi khế 11. Vỏ não 8  Vi sinh vật dạ cỏ phân hủy cellulose và chất bột đường ở ngoài tế bào vi sinh vật→ oligosaccharide  SF chuỗi C ngắn được đưa vào tế bào vi sinh vật→ thủy phân hoặc phosphoryl phân thành các phân tử đường đơn (glucose).  Glucose được lên men tạo ra pyruvate→ biến đổi thành acid béo bay hơi (acetate, propionate, butyrate), CO2, CH4 …(hình 2.1) 39 Hình 2.1 : Sơ đồ phân giải glucid trong dạ cỏ 10 (1) (2)(3) 3 CON ĐƯỜNG CHUYỂN HĨA CHÍNH CỦA GLUCOSE 11 12 3. SỰ BIẾN DƯỠNG GLYCOGEN 3.1. SỰ THOÁI BIẾN GLYCOGEN (Glycogenphosphorolysis) Các enzyme : - Phosphorylase : cắt lần lượt các liên kết α (1→ 4)- glycosidic ở đầu không khử→G-1-P. - Glucantransferase : chuyển 3 gốc glucose sang mạch bên -> lảm bộc lộ liên kết α (1→ 6). - Amylose (1→6) glucosidase : cắt liên kết α (1→ 6) → làm mất nhánh của amylopectin. - Phosphorylase tiếp tục cắt các gốc G của amylose → G-1-P → G-6-P → G vào máu, hoặc oh→NL 413 Cấu trúc phân tử glycogen 14Hình 2.2 : Sơ đồ thoái biến glycogen 15 (C6H10O5)n (C6H10O5)n-1 + n(Glu-1-P) Glu-1-P Glu-6-P
Ở gan : Glu-6-P Glucose (tăng đường huyết)
Ở cơ : Glu-6-P tham gia qúa trình đường phân để giải phóng năng lượng. Phosphorylase Pi (n-1)Pi P.glucomutase Phosphatase - Pi - Glucantransferase - Amylose (1→6) glucosidase Glycogen 16 517 3.2. TỔNG HỢP GLYCOGEN Ở GAN VÀ CƠ (Glycogenesis) (1) Glucose + ATP Glucose-6-P + ADP Glucose- 6-P Glucose 1- P (2) Glucose 1-P + UTP UDP-glucose + H4P2O7 H4P2O7 + H2O 2 H3PO4 (3) UDP-Glu + Glycogen primer (C6H10O5)n +1 + UDP (mạch amylose) UDP + ATP UTP + ADP (4) T/lập chuỗi amylopectin – amylose (1,4 →1,6) transglucosidase Một hệ thống hoàn chỉnh cho sự tổng hợp glycogen trong cơ thể đòi hỏi: G-1-P + UTP + glycogen primer + glycogen synthetase và amylo(1,4 → 1,6) transglucosidase Hexokinase P.glucomutase Glycogen- synthetase 18 (1) Hoạt hóa glucose G-6-P Glu -1-P P.glucomutase CH2OH OH OH OH OH ATP.Mg2+ ADP.Mg2+ Hexokinase CH2O- OH OH OH OH Glucose Glucose 6-P P CH2O- O- OH OH OH Glucose 1-P PGlucose 6-P 6 1 1 19 CH2O- O- OH OH OH Glucose 1-P P CH2O- O-P– O- P OH OH OH Uridine diphosphoglucose (UDP-Glu) HN 2 4 O O -O-CH 2 H OH H 1’ 5’ 2’3’ 4’ OH N 1 5 6 3 OH OH O O + Uridine triphosphate (UTP) (2) Thành lập chất trung gian UDP-Glu - 2Pi 20 (3)TL mạch amylose (1→ 4):gốc Glu tách khỏi UDP-Glu và gắn vào đầu không khử của một đoạn glycogen mồi (primer) với sự thành lập liên kết glycodidic α (1→ 4) : UDP-Glu + (C6H10O5)nprimer (C6H10O5)n+1 O O Mạch amylose với liêên kết glycodidic α(1 → 4) 5 CH2OH OH OH4 1 5 CH2OH OH OH4 1 5 CH2OH O-R(n+1) OH OH4 1 HO UDP Glycogen synthetase 621 (4) Tạo nhánh : E amylo(1,4 → 1,6)transglucosidase chuyển 1 phần chuỗi 1→4 (tối thiểu 6 gốc Glu) sang chuỗi bên, tạo điểm phân nhánh với LK(1→6) Amylopectin 22 23 24 725 4. SỰ ĐƯỜNG PHÂN (Glycolysis) (Sơ đồ Embden-Mayehoff – EM) 4.1. MỤC ĐÍCH : oxy hóa glucose để lấy năng lượng trong điều kiện kỵ khí (nghèo hoặc vắng O2) • - Xảy ra trong mô bào nghèo O2 → sự đường phân. • - Xẩy ra ở VSV → sự lên men • - ATP được thành lập không đi qua chuỗi hô hấp mà do sự phosphoryl hóa trực tiếp cơ chất. • - Hiệu qủa khai thác năng lượng từ glucose chỉ khoảng 2-3% 26 27 Hình 2.5 : Sơ đồ quá trình đường phân Embden-Mayehoff (EM) 28 4.2. NĂM GIAI ĐOẠN ĐƯỜNG PHÂN :
GĐI : Hoạt hóa glucose → G-6-P (pư1 – tốn 1 ATP)
GĐII : Biến đổi G-6-P (C6) → 2 SF C3 có khả năng bị oxy hóa (pư 2-3-4-5, tốn 1 ATP)
GĐIII : O.h 2Glyceraldehyde-3-P →2 Glycerate-3-P (pư 6-7, TL 2ATP + 2 NADH + H+)
GĐIV : B/đổi 2 Glycerate-3-P → 2 Pyruvate (pư 8-9-10, TL 2 ATP)
GĐ V : Khử 2 Pyruvate → 2 Lactae (pư 11) (sự dụng 2 NADH+H+ từ GĐIII 829 CÁC PHẢN ỨNG ĐƯỜNG PHÂN EM GĐI : Hoạt hóa glucose → G-6-P ( tốn 1 ATP) (1)Hoạt hóa glucose -> G-6-P với enzyme xúc tác hexokinase. Pư này không thuận nghịch CH2OH OH OH OH OH ATP.Mg2+ ADP.Mg2+ Hexokinase CH2O-P=O OH OH OH OH OH OH Glucose Glucose 6-P 30
GĐII : Biến đổi G-6-P (C6) -> 2 SF C3 có khả năng bị oxy hóa (pư 2-3-4-5 , tốn 1 ATP) (2) Đồng phân hóa G-6-P → Fructose-6-P. Enzyme phosphoglucose isomerase CH2O- OH OH OH OH Glucose 6-P -O-CH2 CH2OH OHOH OH H 16 5 2 34 P Phosphoglucose isomerase Fructose 6-P P 31 (3)Phosphoryl hóa lần 2 → Fru-1,6-diP Enzyme xt phosphofructokinase, tiêu tốn ATP lần thứ 2. Phản ứng không thuận nghịch, quyết định tốc độ đường phân. -O-CH2 CH2O- OHOH OH H 16 P Fructose 1,6- di P -O-CH2 CH2OH OHOH OH H 16 P Fructose 6-P P P.fructokinase ATP.Mg2+ ADP.Mg2+ 32 (4) Phân cắt phân tử C6 thành 2 phân tử C3 với sự xúc tác của aldolase CH2-O- C=O HO-C- H H- C- OH H- C- OH CH2O- P P Fructose 1,6- di P Aldolase CH2- O- C=O CH2OH Dihydroxyacetone phosphate P O C H CH - OH CH2- O- Glyceraldehyde 3 phosphate P 933 (5) 2 triose chuyển hóa lẫn nhau , chủ yếu tạo thành glyceraldehyde-3-P là sản phẩm được oxy hóa. Enzyme xt là triosephosphate isomerase Như vậy sau 5 pư : 1p/tử Glu sử dụng 2 ATP → 2 pt glyceraldehyde-3-P (5%) (95%) CH2- O- C=O CH2OH Dihydroxyacetone phosphate (ketose) P O C H CH - OH CH2- O- Glyceraldehyde 3 phosphate (aldose) P Triophosphate isomerase 34
GĐIII : O.h 2Glyceraldehyde-3-P → 2 Glycerate-3-P (pư 6-7, TL 2ATP + 2 NADH + H+) (6) oxy hóa glyceraldehyde-3-P nhờ enzyme glyceraldehyde 3-phosptate dehydrogenase (tetramer) → hình thành nối (~ P) trong SP 1,3 BPG và NADH+ H+ O C O~ CH - OH CH2- O- 1,3-Biphospho- glycerate P O C H CH - OH CH2- O- Glyceraldehyde 3 phosphate (aldose) P + NAD+ P + NADH+ H+ Glyceraldehyde 3-P dehydrogenase +Pi 35 (7) Sử dụng trực tiếp gốc (~P) của cơ chất để TL ATP (phosphoryl hóa ở mức cơ chất, không qua chuỗi HH) Enzyme xt là phosphoglycerate kinase→ 2 ATP Phosphoglycerate kinase O C O~ CH - OH CH2- O- 1,3-Diphospho- glycerate P P O C O- CH - OH CH2- O- 3-Phospho- glycerate P + ADP + ATP 36 GĐIV : B/đổi 2 Glycerate-3-P → 2 Pyruvate (pư 8-9-10, TL 2 ATP) (8) Phản ứng đồng phân hóa chuyển gốc P từ C3 lên C2. Enzyme xúc tác là phosphoglycerate mutase. (9) Pư khử nước với sự xúc tác của enolase→ có sự sắp xếp lại mạch nối trong nội bộ ph/tử→ tạo (~ P) O C O- CH – OH CH2- O- 3-Phospho- glycerate P O C O- CH –O- CH2- OH 2-Phospho- glycerate P O C O- CH - O~ CH2 P.enol- pyruvate P P-glycerate mutase Enolase H2O 10 37 (10) Pư thành lập ATP lần thứ hai trong đường phân với sự xúc tác của pyruvatekinase→SFTG quan trọng PYRUVATE O C O- CH - O~ CH2 Phosphoenol- pyruvate P O C O- C = O CH3 Pyruvate Pyruvate kinase ADP ATP 38 GĐ V : Khử 2 Pyruvate→ 2 Lactae (pư 11) (sự dụng 2 NADH+H+ từ GĐIII O C O- C = O CH3 Pyruvate Lactatedehydrogenase (nghèo O2) NADH + H+ NAD+ NADH + H+ NAD+ (đủ O2) O C O- CH - OH CH3 Lactate 39 40 Lên men rượu : 11 41 42 Bảng 3.1: NL giải phóng từ tiến trình ĐFEM 8Số ATP còn lại 1Tiêu hao ATPP-fructokinase(3) 1Tiêu hao ATPHexokinase(1) 10Số ATP được thành lập 2oxy hóa ở mức cơ chấtPyruvate kinase(10) 2oxy hóa ở mức cơ chấtP-glyceratekinase(7) 6Qua chuỗi HH mô bào oxy hóa 2NADH + H+ Glyceraldehyde 3-P dehhdrogenase (6) Số ATPPhương thức tạo nối ~PEnzyme xúc tácP/ư Ghi chú: trong điều kiện mô bào nghèo oxygen, pyruvate sẽ sử dụng NADH + H+ của p/ư (6) để hồn nguyên thành lactate, do đó số ATP còn lại sẽ là 2. 43 44 5. SỰ OXY HÓA HẢO KHÍ GLUCOSE (TRICARBOXYLIC ACID CYCLE, KREBS CYCLE) - Đây là con đường chung của sự oxy hóa các chất hữu cơ để tạo ra ATP cung cấp cho các hoạt động của cơ thể, bởi vì glucose (từ glucid), acid béo (từ lipid) và amino acid (từ protein) khi thoái biến đều dẫn đến ACETYL CoA. - Chu trình này xẩy ra trong phần khuôn ty thể nhằm oxy hóa ACETYL CoA thành CO2 + H2O + giải phóng toàn bộ năng lượng dự trữ. 12 45 5.1. SỰ KHỬ CARBOXYL-OXY HÓA PYRUVATE → ACETYL CoA Pyruvate dehydrogenase complex : E1: pyruvate decarboxylase (vit.B1) E2: Dihydrolipoyl transacetylase (lipoic acid) E3: Dihydrolipoyl dehydrogenase (FP5-FAD) O C O- C = O CH3 Pyruvate Pyruvatedehydrogenase Complex (E1, E2 ,E3), CoASH NAD+ NADH + H+ O CH3-C ~S-CoA ACETYL CoA + CO2 Phản ứng tổng quát : 46 O CH3-C-COO- O CH3-C ~S-L-SH O CH3-C ~S-CoA CoASH OH CH3-C –TPP H TPP E1 E2 CO2 SH L SH S L S FADFADH2 NAD+ NADH + H+ (vào chuỗi hô hấp) ACETYL CoA Pyruvate E3 S-acetyl lipoate 47 Hình 2.8 : CHU TRÌNH KREBS Mepacrin Streptomycin Cocain Salicylate Fluoarocetate Morphin Thuốc tê Thuốc ngủ Tetracyclin Aureomycin Salicylate Morphin Salicylate Tác động của một số loại thuốc ức chế các enzyme của chu trình Krebs 48 13 49 50 51 Citrate synthetase (1) Phản ứng kết hợp của acetyl CoA (sản phẩm sẽ bị oxy hóa) với oxaloacetate để thành lập citrate với sự xúc tác của citrate synthetase 52 (2) Citrate biến đổi thành isocitrate qua trung gian cis- aconitate : Cis-aconitase 14 53 (3) (4). Sự oxy hóa isocitrate, sau đó là sự khử carboxyl đề thành lập α-ketoglutarate, enzyme xúc tác là isocitrate dehydrogenase và decarboxylase (3) (4) + NAD+ (3ATP)(3) (4) 54 (5) Phản ứng khử carboxyl -oxy hóa α-ketoglutarate với sự xúc tác của α-ketoglutarate dehydrogenase complex (tương tự như đối với pyruvate) : cần sự tham gia của TPP, lipoate, NAD+ và CoA.SH (3ATP) 55 (6) Sự khử nối thioester của succinyl -CoA, năng lượng giải phóng được đưa vào một nối phosphate cao năng của GTP để sau đó thành lập 1 ATP. ATP 56 (7) Phản ứng oxy hóa succinate bởi FP2 – succinate dehydrogenase, với CoE là FAD : (2ATP) 15 57 (8), (9) Phản ứng hydrate hóa fumarate để thành lập malate và tiếp theo là sự oxy hóa malate để cho ra sản phẩm oxaloacetate : Fumarase Malate dehydrogenase (8) (9) (3ATP) 58 Bảng 2-2 : Số ATP được giải phóng từ chu trình Krebs 12Tổng cộng 3oxy hóa NADH + H+ trong chuỗi hô hấp Malate dehydrogenaseP/ư 9 2oxy hóa FADH2 trong chuỗi hô hấp Succinate dehydrogenase P/ư 7 1Phosphoryl hóa ở mức cơ chất -> GTP Succinate thiokinaseP/ư 6 3oxy hóa NADH + H+ trong chuỗi hô hấp P/hợp α-ketoglutarate dehydrogenase P/ư 5 3oxy hóa NADH + H+ trong chuỗi hô hấp Isocitrate dehydrogenase P/ư 3 Số ATP t/lập. Phương thức sinh nối (~P) Enzyme xúc tácSTT 59 6. CON ĐƯỜNG HEXOSE MONOPHOSPHATE (HMP pathway, Pentose phosphate cycle)
Mục đích :  Oxy hóa trực tiếp Glu-6-P (không phosphoryl hóa lần thứ hai→ gọi là con đường HMP).  NADPH+H+ : cung cấp các cặp H cho các phản ứng tổng hợp chất cần H (tổng hợp acid béo, cholesterol, các hormone steroid …).  Sản phẩm pentose-5-P được sử dụng để tổng hợp các nucleotide → acid nucleic. Nếu không sử dụng thì các pentose 5-P sẽ biến đổi để tổng hợp trở lại Fru-6-P → Glu- 6-P → tên gọi “chu trình pentose phosphate”. 60
Phản ứng tổng quát : 3 Glu-6-P + 6 NADP+ 2Glu-6-P + Gly-3-P + 3CO2 + 6 (NADPH + H+)
Hai giai đoạn phản ứng :  GĐ oxy hóa trực tiếp 3 phân tử Glu-6-P→ 6(NADPH+H+ ) và + 3 p/tử ribulose-5-P (Ru5P), (P/ư 1-2 &3) GĐ biến đổi 3 p/t Ru5P → 2 Fructose-6-P (F6P) + Glyceraldehyde-3-P (GAP)(P/ư 4-5-6-7&8) 16 61 62 63 CH2O- OH OH OH OH + NADP+ Glucose 6-P dehydrogenase CH2O- =O OH OH OH Glucose 6-P 6-Phosphoglucono- δ lactone P P + NADPH+H+
GIAI ĐOẠN OXY HÓA Pư 1 : oxy hoá trực tiếp glucose 6-phosphate : Mỗi vòng chu kỳ pentose sử dụng đồng thời 3 pt Glu-6P : 1 1 H 64 6-Phosphoglucono- lactonase 6-Phosphoglucono- δ lactone Pư 2 : khử vòng tạo phân tử dạng thẳng 6-phosphogluconate H2O H+ O C- OH H- C- OH HO-C- H H- C- OH H- C- OH CH2O- 6-Phospho- gluconate CH2O- =O OH OH OH P 1 P 17 65 6-Phosphogluconate- dehydrogenase Pư 3 :phản ứng khử carboxyl (C1) và oxy hóa (C3)→ thành lập pentose 5-phosphate (Ru5P) +NADP+ NADPH+H+O C1- OH H- C- OH HO-C3- H H- C- OH H- C- OH CH2O- 6-Phospho- gluconate CH2- OH C = O H- C- OH H- C- OH CH2O- Ribulose-5- phosphate (Ru5P) + CO2 P P 66 7. SỰ TÂN SINH GLUCOSE (Gluconeogenesis)  Tổng hợp glucose từ lactate, glycerol và aminoacid; ở thú nhai lại là propionate.  Cung cấp glucose cho cơ thể, đặc biệt là não và hồng cầu (vì 2 cơ quan này chỉ sử dụng năng lượng từ đường, khơng dùng mỡ) khi nguồn glucid cung khơng đủ trong khẩu phần.  Cơ chế tân sinh đường mơ phỏng theo các p/ư đi ngược đường phân EM. Tuy nhiên ở những g/đ mà p/ư đường phân khơng thuận nghịch thì tân sinh đường phải đi theo đường vịng. 67 3 giai đoạn tân sinh đường khơng theo p/ư nghịch của đường phân (1) PYRUVATE PHOSPHO ENOL PYRUVATE (2) FRUCTOSE 1,6 - BIPHOSPHATE FRUCTOSE 6-P (3) GLUCOSE 6-PHOSPHATE GLUCOSE 68 T Â N S I N H Đ Ư Ờ N G 18 69Hình 2.12 : SƠ ĐỒ ĐIỀU HÒA TRAO ĐỔI ĐƯỜNG