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
- Xem thêm -