Tài liệu Báo cáo hóa sinh các con đường sinh tổng hợp acid amin ở vi sinh vật

Các con đường sinh tổng hợp acid amin ở vi sinh vật Nhóm 1 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 3 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ACID AMIN............................................ 4 1.1. Công thức cấu tạo ....................................................................................... 4 1.2. Phân loại .................................................................................................... 6 1.2.1 Dựa vào cấu tạo hóa học chia thành một số nhóm lớn sau: ....................... 6 1.2.2. Dựa vào cấu trúc, acid amin được chia ra làm 3 nhóm lớn :.................... 7 1.3. Các con đường tổng hợp acid amin ................................................................ 8 1.3.1.Sinh tổng hợp acid amin bằng phản ứng amin hóa trực tiếp ......................... 8 1.3.2.Sinh tổng hợp acid amin bằng phản ứng chuyển amin ............................... 10 CHƯƠNG 2: CÁC CON ĐƯỜNG SINH TỔNG HỢP ACID AMIN Ở VI SINH VẬT .................................................................................................................... 13 2.1. Từ α – ketoacid ........................................................................................... 14 2.1.1. Từ α – ketoglutarate .............................................................................. 14 2.1.1.1. Glutamate / Glutamine ....................................................................... 14 2.1.1.2. Proline ............................................................................................... 17 2.1.1.3. Arginine ............................................................................................. 20 2.1.2. Từ oxaloacetate ..................................................................................... 21 2.1.2.1. Aspatate/ Asparagine ......................................................................... 21 2.1.2.2. Methionine ......................................................................................... 24 2.1.2.3. Threonine ........................................................................................... 25 2.1.2.4. Lysine ................................................................................................. 25 2.1.3. Từ pyruvat ............................................................................................ 29 2.1.3.1. Alanine ............................................................................................... 29 2.1.3.2. Valine và Leusine ............................................................................... 29 2.1.3.4. Isoleusine ........................................................................................... 32 2.2. Từ phosphoglycerate ................................................................................... 33 2.2.1.Serine ..................................................................................................... 33 2.2.2. Glycine ................................................................................................. 34 Trang 1 Các con đường sinh tổng hợp acid amin ở vi sinh vật Nhóm 1 2.2.3. Cystein .................................................................................................. 42 2.3. Các amin thơm ............................................................................................ 44 2.3.1. Tổng hợp ra tiền chất trung gian Chosrimate. ........................................ 47 2.3.2. Sinh tổng hợp Phenylalanine và Tyrosine .............................................. 49 2.3.3. Sinh tổng hợp Tryptophan ..................................................................... 50 2.4. Histidine ...................................................................................................... 52 CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN ................................................................................... 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 55 Trang 2 Các con đường sinh tổng hợp acid amin ở vi sinh vật Nhóm 1 MỞ ĐẦU Sự sống là một quá trình trao đổi chất liên tục. Quá trình trao đổi chất là quá trình đổi mới thành phần cơ thể bằng cách thu nhận các chất dinh dưỡng từ thức ăn, nước uống và cơ thể để thực hiện một quá trình sinh lý, sinh hóa phức tạp sau đó đào thải các chất cặn bã ra ngoài. Thông qua quá trình này, cơ thể lớn lên, sinh sản để duy trì nòi giống cuối cùng là già cỗi rồi chết đi. Đó là quá trình sinh dưỡng bình thường của cơ thể sống, có rất nhiều các chất tham gia vào quá trình này trong đó một thành phần không thể thiếu đó là protein. Có thể nói protein là thành phần rất quan trọng của cơ thể, protein có mặt trong nhân, nguyên sinh chất, màng tế bào, huyết tương, dịch gian bào. Acid amin là cấu tử cơ bản của protein, hay nói một cách khác, acid amin là những viên gạch để xây nên các tòa lâu đài muôn hình nghìn vẻ của phân tử protein. Vì vậy vai trò acid amin rất quan trọng, luôn là đối tượng con người nghiên cứu để tổng hợp mà đặc biệt là các acid amin không thay thế. Trang 3 Các con đường sinh tổng hợp acid amin ở vi sinh vật Nhóm 1 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ACID AMIN 1.1. Công thức cấu tạo Acid amin là những hợp chất hữu cơ mạch thẳng hoặc mạch vòng trong phân tử có chứa ít nhất một nhóm amin (-NH2) và một nhóm cacboxyl (-COOH). Hiện nay, có khoảng hơn 100 loại acid amin đã được con người tìm thấy trong tự nhiên hay tổng hợp được. Tuy nhiên trong số này chỉ có khoảng 20 loại acid amin là được cơ thể sử dụng để tổng hợp protein. Trong đó gồm acid amin thiết yếu và acid amin không thiết yếu. Con người và nhiều loài động vật khác chỉ có thể tự tổng hợp được 10 loại acid amin, chúng được gọi là các acid amin không thiết yếu (Non-essential), 10 acid amin còn lại cơ thể không tự tổng hợp được mà phải hấp thụ từ thực vật và động vật qua con đường thức ăn, chúng được gọi là những acid amin thiết yếu (Essential). Khi thiếu, thậm chí chỉ một trong các acid amin cần thiết có thể làm cho protein được tổng hợp ít hơn protein bị phân giải, kết quả là cân bằng nitơ âm. Các acid amin cần thiết đối với cơ thể còn tùy thuộc vào điều kiện riêng biệt vào loài động vật, lứa tuổi…Theo nhiều tài liệu có tám acid amin cần thiết cho người lớn valine, leucine, isoleucine, methionine, treonine, phenylalanine, triptophan và lysine. Đối với trẻ em có thêm hai acid amin cần thiết : arginine và histidine. Hàm lượng các acid amin không thay thế và tỷ lệ giữa chúng trong phân tử protein là một tiêu chuẩn quan trọng để đánh giá chất lượng protein. Các acid amin thường gặp trong các protein trong tự nhiên là những L – α acid amin có nhóm amin đính vào nguyên tử cacbon α đứng cạnh nhóm cacboxyl. Trang 4 Các con đường sinh tổng hợp acid amin ở vi sinh vật Nhóm 1 Bảng 1.1: Các acid amin thiết yếu và không thiết yếu Nonessential Essential Alanine Arginine* Asparagine Histidine Aspartate Isoleucine Cysteine Leucine Glutamate Lysine Glutamine Methionine* Glycine Phenylalanine* Proline Threonine Serine Tyrptophane Tyrosine Valine Trang 5 Các con đường sinh tổng hợp acid amin ở vi sinh vật Nhóm 1 1.2. Phân loại 1.2.1 Dựa vào cấu tạo hóa học chia thành một số nhóm lớn sau: a. Nonpolar aminoacid * Glycine, Alanine, Valine, Leucine, Isoleucine * Phenylalanine, Tryptophane, Methionine * Proline, Cysteine b. Polar aminoacid (neutral) * Asparagine, Glutamine, Serine * Threonine, Tyrosine c. Basic amino acids * Histidine, Lysine, Arginine d. Acidic amino acids * Aspartate Glutamate Trang 6 Các con đường sinh tổng hợp acid amin ở vi sinh vật Nhóm 1 Hình 1.1: Phân loại acid amin dựa vào cấu tạo hóa học 1.2.2. Dựa vào cấu trúc, acid amin được chia ra làm 3 nhóm lớn :  Acid amin mạch thẳng (glycine, alanine, leucine, iosleucine, valine, threonine, aspartate, asparagine, glutamate, glutamine, lysine, arginine, methionine, serine, cysteine) Trang 7 Các con đường sinh tổng hợp acid amin ở vi sinh vật Nhóm 1  Amino acid vòng thơm (phenylalanine, tyrosine)  Amino acid dị vòng (tryptophan, histidine, proline) Có thể tổng hợp các acid amin bằng phương pháp hóa học, phương pháp lên men hoặc bằng phương pháp kết hợp hóa học và vi sinh vật. Tuy nhiên phương pháp hóa học thường là đắt và không định hướng được: các acid amin tổng hợp được chứa cả hai dạng D và L. Phương pháp kinh tế và triển vọng hơn cả là sinh tổng hợp hay là tổng hợp bằng phương pháp lên men. 1.3. Các con đường tổng hợp acid amin 1.3.1.Sinh tổng hợp acid amin bằng phản ứng amin hóa trực tiếp Sự amin hóa trực tiếp các acid hữu cơ chưa no là một phản ứng ít gặp và chủ yếu chỉ có ở thực vật và vi khuẩn. Các chất tiền thân để amin hóa như acid fumaric, acid piruvic, acid oxaloacetic… là những sản phẩm trung gian vốn được tạo nên trong chu trình Krebs. Acid fumaric, dưới tác dụng của enzyme aspartat – amoniac – liza tạo nên acid aspartic: aspartatamoniacliase + NH3 Phản ứng này là phản ứng thuận nghịch. Acid aspartic có thể tổng hợp bằng cách chuyển hóa giữa acid oxalacetic và acid glutamic. Sự amin hóa các cetoacid cũng là một đường hướng chủ yếu của việc tân tạo acid amin. Phương trình phản ứng tổng quát có thể được biểu diễn như sau: Trang 8 Các con đường sinh tổng hợp acid amin ở vi sinh vật Nhóm 1 Phản ứng ra qua hai giai đoạn: kết hợp amoniac vào cetoacid để tạo ra acid imin và khử acid imin thành acid amin. Chẳng hạn: Hoặc như: Trang 9 Các con đường sinh tổng hợp acid amin ở vi sinh vật Nhóm 1 Về nguyên tắc, sự amin hóa có thể tiến hành đối với bất kỳ một cetoacid nào. Tuy nhiên hoạt tính của tất cả các dehydrogenase tự nhiên của các acid amin, trừ các glutamatdehydrogenase và alanindehydrogenase đều không đáng kể. Vì thế sự tổng hợp các acid amin bằng amin hóa các cetoacid là không có ý nghĩa thực tế. Các acid amin: aspartic, alanine, glutamic là những acid amin sơ cấp. Sự sinh tổng hợp bằng phản ứng amin hóa trực tiếp này gọi là sinh tổng hợp sơ cấp các acid amin. 1.3.2.Sinh tổng hợp acid amin bằng phản ứng chuyển amin Phản ứng chuyển amin cũng là một đường hướng sinh tổng hợp các acid amin ở vi sinh vật. Phản ứng chuyển amin có thể biểu diễn dưới dạng tổng quát như sau: R1– CH – COOH + R2 – C – COOH O NH2 acidamin 1 + R1 – C – COOH R2 – CH – COOH O NH2 cetoacid 1 cetoacid 2 acidamin 2 Phản ứng chuyển amin được xúc tác bởi enzyme aminotransferase. Aminotransferase là enzyme hai cấu tử có nhóm ngoại là phosphopiridoxal (este phosphorid của vitamin B6).  Cơ chế phản ứng như sau: Đầu tiên nhóm ngoại của enzyme sẽ kết hợp với nhóm amin của acid amin 1 ở nhóm aldehid của phosphopiridoxal. CH = N – CH CH = O HO 2. CH2O P H2N – CH – R1 COOH H3C N enzyme Protein cơ chất - H2O HO H3C CH2O N R1 COOH P Protein phức enzyme – cơ chất Trang 10 Các con đường sinh tổng hợp acid amin ở vi sinh vật Nhóm 1 Tiếp đó phức hợp cơ chất enzyme chịu sự hỗ biến: R1 CH = N – CH HO COOH CH2O H3C N R1 COOH CH2 – N = C HO CH2O P N H3C Protein P Protein Phức hợp bị thủy phân để giải phóng ra cetoacid 1 và enzyme: CH2 – N = C HO CH2 – NH2 R1 COOH CH2O HO + H2O P COOH + R1 – C = O N H3C CH2O P N H3C Protein Protein cetoacid 1 Đến lượt enzyme lại tương tác với cetoacid 2: R2 CH2 – NH2 HO CH2O P + H3C CH2 – N = C – COOH R2 N Protein C=O COOH - H2O H2O HO H3C N R2 H3C CH2O N Protein R2 CH2 – N = C – COOH HO P phức cơ chất – enzyme cetoacid 2 enzym e CH2O P Protein CH = N – CH – COOH hỗ biến HO H3C CH2O N P Protein Trang 11 Các con đường sinh tổng hợp acid amin ở vi sinh vật Nhóm 1 Cuối cùng acid amin 2 và enzym ở trạng thái đầu được hình thành do kết quả thủy phân phức hợp cơ chất – enzym vừa tạo thành: R2 CH = O CH = N – CH – COOH HO CH2O H3C CH2O P + N HO H2O Protein R2 C – NH2 P + H3C N Protein enzyme ở trạng thái ban đầu COOH acidamin 2 Cần chú ý rằng phản ứng chuyển amin khi không có enzym xúc tác, cũng sẽ tiến hành được trong điều kiện nhiệt độ 1000C, pH từ 3,8, có ion kim loại và piridoxal tham gia. Trang 12 Các con đường sinh tổng hợp acid amin ở vi sinh vật Nhóm 1 CHƯƠNG 2: CÁC CON ĐƯỜNG SINH TỔNG HỢP ACID AMIN Ở VI SINH VẬT SƠ ĐỒ CHUYỂN HÓA CÁC ACID AMIN Ở VI SINH VẬT Trang 13 Các con đường sinh tổng hợp acid amin ở vi sinh vật Nhóm 1 2.1. Từ α – ketoacid 2.1.1. Từ α – ketoglutarate 2.1.1.1. Glutamate / Glutamine H -O C O H2 C H2 C C COO - NH3+ Glutamate được tạo ra do quá trình chuyển amin, quá trình mà nhóm –NH2 của một acid amin được chuyển tới  - ketoacid với sự xúc tác của transaminase. Một loại  - ketoacid khá phổ biến trong tế bào vi sinh vật là  - ketoglutarate, hợp chất trung gian trong việc cung cấp năng lượng hoặc chất nền của các quá trình chuyển hoá khác nhau. Glutamate được tổng hợp khá dễ dàng qua phản ứng thay thế gốc phosphate bởi nhóm amin vào tiền chất  - ketoglutarate với sự tham gia xúc tác của glutarate dehydrogenase. Ngoài ra glutamate còn là tiền chất để tổng hợp một số acid amin khác nhau như glutamine, proline và arginine. Glutamic acid là dạng proton của glutamate. Enzyme glutamatdehydrogenase xúc tác cho sự tân tạo ra acid glutamic từ  ketoglutarate và ammoniac khi có sự tham gia của coenzyme NAD.H2 hoặc NADP.H2. Enzyme này rất phổ biến trong hệ thống sống. NADP.H2 (dạng khử) thường được sử dụng trong các trường hợp khi mà glutamatdehydrogenase có chức năng như một tác nhân sinh tổng hợp, còn NAD.H2 (dạng khử) được sử dụng trong các trường hợp khi enzyme này hoàn thành chức năng dị hoá. Trang 14 Các con đường sinh tổng hợp acid amin ở vi sinh vật Nhóm 1 COO C COONAPH + H+ O + CH2 NADP+ + H3N C NH 4+ H CH2 glutamatdehydrogenase CH2 CH2 COO - COOglutamate alpha-ketoglutarate Thực chất đây là quá trình xảy ra 2 giai đoạn: lúc đầu amoni kết hợp với  ketoglutarate, sau đó là việc chuyển hydro từ NADH hay NADPH đến Glutamate. O H H2 C -OOC H 2O C COO - C H2 + NH4 H2 C + - alpha-ketoglutarate H H NAPH + H+ OOC - OOC H2 C C COO- COO- C H2 NH 3+ - C H2 C NADP+ N H2 C H N OOC C C H2 COOH glutamate Điều quan trọng là, trong quá trình chuyển hydro đã tạo ra cấu trúc lập thể tại vị trí carbon α. Enzyme glutamatedehydrogenase liên kết với α-ketoglutarate, làm cho hydro chỉ chuyển vào vị trí riêng biệt, do đó trong phản ứng này chỉ tạo nên Lglutamate. Một ion amoni khác sẽ kết hợp với glutamate dưới tác dụng của enzyme glutamine synthetase để hình thành nên glutamine. Phản ứng này được thực hiện bởi năng lượng của ATP. Trang 15 Các con đường sinh tổng hợp acid amin ở vi sinh vật NH3+ ATP Nhóm 1 2- NH3+ ADP O O -OOC -OOC H OH HP H O OH O OH acyl-phosphate intermediate glutamate NH3+ NH3 Pi NH2 -OOC H O glutamine Qúa trình sinh tổng hợp glutamine đóng vai trò rat quan trọng trong việc điều khiển các quá trình trao đổi chất. Các enzyme glutamate dehydrogenase và glutamine synthetase đều được tìm thấy trong các sinh vật sống. Glutamate cũng có thể được tạo thành từ glutamine COO+ H3N C COOH + CH2 CH2 C O glutamine C NH2 COOO CH2 NAPH + H+ NADP+ + H 3N 2 C CH2 CH2 CH2 COO- COO- alpha-ketoglutarate glutamate Trang 16 H Các con đường sinh tổng hợp acid amin ở vi sinh vật Nhóm 1 2.1.1.2. Proline Hình 2.1 : Cấu trúc của Proline Công thức phân tử C5H9NO2 Khối lượng phân tử 115.13 g mol−1 Màu sắc và tính hút ẩm Tinh thể không màu, hút ẩm Điểm nóng chảy 205 ºC Khả năng hòa tan trong nước Hòa tan Proline khác với tất cả các amino acid khác ở chỗ nhóm amin bậc 1 ở vị trí kết hợp với mạch bên tạo thành vòng pyrrolidine, do đó proline là một imino acid chứa nhóm amin bậc 2.  Cơ chế sinh tổng hợp proline Trang 17 Các con đường sinh tổng hợp acid amin ở vi sinh vật Nhóm 1 Hình 2.2. Con đường sinh tổng hợp Proline từ Glutamate hoặc Ornithine Trang 18 Các con đường sinh tổng hợp acid amin ở vi sinh vật Nhóm 1 Hình2.3. Mối quan hệ giữa vi khuẩn và động vật có vú trong việc sinh tổng hợp Proline Hầu hết trong các loài vi khuẩn (như là Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa and Salmonella typhimurium) proline được tổng hợp từ 1 tiền chất amino acid L – glutamate, quá trình tổng hợp này gồm 4 bước. Đầu tiên dưới tác dụng của enzym glutamate kinase, lấy 1 nhóm phosphoryl từ ATP tạo ra glutamate 5-phosphate. Từ đây thực hiện phản ứng khử với sự có mặt của enzym glutamate dehydrogenase, sử dụng 1 NAD(P)H+H+ , nhóm pirophosphate được giải phóng, glutamate semialdehyde hình thành, ngay lập Trang 19 Các con đường sinh tổng hợp acid amin ở vi sinh vật Nhóm 1 tức chất này được chuyển thành tiền chất 1-Pyrroline-5-carboxylase (P5C) mà không cần 1 enzym nào . Bước cuối cùng P5C với xúc tác của enzym Pyrroline5-carboxylate reductase (đòi hỏi 1 NAD(P)H+H+) proline được tạo thành. 2.1.1.3. Arginine Arginine được tạo thành từ glutamate. Phản ứng diễn ra như sau: COOH H 2N C H COOH HN Acetyl-CoA CoA CH2 O transacetylase C CH2 C COOH H ATP ADP CH2 O CH3 CH2 COOH HN C CH2 OC COOH NADPH NADP+ reductase O C C H CH2 CH3 CH2 CHO N-acetyl-glutamic-gamasemialdehyde P N-acetyl-gama-glutamine phosphate N-acetyl glutamate HN H CH3 CH2 COOH glutamate C COOH glutamate alphaketoglutarate HN O C C H CH2 transaminenase CH3 CH2 NH2 N-acetyl-ornithine N-acetylornithinease COOH H 2N C H (CH2)3 NH2 orthinine Trang 20