Bài 62. Dòng năng lượng trong hệ sinh thái

Bộ môn Năng lượng sinh học
Bài kiểm tra
Đề tài: Các phản ứng hoạt hóa trong sinh tổng hợp
Người hướng dẫn: TS. Võ Văn Toàn
Người thực hiện: Nguyễn thị Vi Na
Các phản ứng hoạt hóa trong sinh tổng hợp
1- Photphoryl hóa
2- Tạo thành acetyl- CoA
3- Tổng hợp hydratcarbon
4- Tổng hợp lipit
5- Sinh tổng hợp axit amin và protein
- Nhờ ATP và dưới xúc tác của creatinkinase (ở động vật có vú) hay argininkinase, ty thể của tế bào cơ có khả năng tạo thành các liên kết giàu năng lượng thích hợp.
Creatin + ATP Creatinphosphat + ADP

- Trong những trường hợp thiếu oxy và glycolyse không tạo thành ATP ở cơ, khi đó nhờ adenylatkinase - enzym vận chuyển phosphat trong cơ - có chức năng ngược với nucleosidmonophosphatkinase, xúc tác phản ứng cung cấp ATP có thể diễn ra theo phương trình dưới đây:
2ADP ATP + AMP
1- Photphoryl hóa
Các phản ứng hoạt hóa trong sinh tổng hợp
- Trong quá trình trao đổi hydratcacbon thì Glucose-6-photphat là chất then chốt nhất. Con đường phosphoryl hóa tạo thành glucose-6-photphat :
Glucose + ATP  glucose-6-photphat + ADP
=> phản ứng không thuận nghịch
- Trên cơ sở khác nhau về mức năng lượng tự do giữa các liên kết pyrophosphat trong ATP với liên kết esterphosphat trong glucose-6-phosphat mà phương trình phản ứng tiếp tục tạo thành glucose-6-phosphat (sơ đồ bên)
1- Photphoryl hóa
Các phản ứng hoạt hóa trong sinh tổng hợp
Glucose-6-Photphat có thể tham gia vào các quá trình trao đổi hydrocarbon khác nhau:
1- Photphoryl hóa
Các phản ứng hoạt hóa trong sinh tổng hợp
- Acetyl-coenzyme A là dẫn xuất acetyl của coenzyme A. Nhóm SH của cysteamin là nhóm chức năng của coenzyme này.
- Acetyl-CoA là một cơ chất quan trọng nhất của trao đổi chất trung gian. Liên kết thioester giàu năng lượng, khi thủy phân liên kết này giải phóng năng lượng tự do khoảng -26 kj/Mol
- Ngoài ra, phần lớn Acetyl- CoA tham gia vào hai con đường:
2- Tạo thành acetyl- CoA
Các phản ứng hoạt hóa trong sinh tổng hợp
Trong cơ thể sống, acetyl-CoA được tào thành từ:
- Axit pyruvic,
- Hoạt hóa axit béo,
- β-oxy hóa axit béo.
a. Quá trình tạo thành acetyl-CoA từ axit pyruvic:
Axit pyruvic trải qua gia đoạn decarboxyl hóa tạo thành acetyl-CoA:
CH3COCOOH + NAD+ + CoASH  CH3CO~S.CoA + NADH +
+ H++ + CO2
b. Tạo thành acetyl-CoA bằng hoạt hóa axit acetic hoạt động:
Hoạt hóa axit acetic tự do thành acetyl-CoA nhờ enzyme hoạt hóa acetat xúc tác và có sự tham gia của ATP:
CH3COOH + ATP + CoASH CH3CO~S.CoA +AMP + P~P
2- Tạo thành acetyl- CoA
Các phản ứng hoạt hóa trong sinh tổng hợp
- Từ glucose-6-phosphat có thể tham gia vào quá trình sinh tổng hợp polysaccharide dạng tinh bột (ở thực vật) hay glycogen (động vật) :
+ Glucose-6-phosphat Glucose-1-phosphat

+ Việc tổng hợp glucose-1,6-diphosphat có thể tiến hành theo 2 con đường sau tùy đối tượng và tùy loại mô:

 Ở nấm men, mô cơ và thực vật:
Glucose-1-phosphat + ATP Glucose-1,6-diphosphat + ADP

 Ở vi khuẩn Escherichia coli và mô cơ:
2Glucose-1-phosphat Glucose-1,6-diphosphat + Glucose
Mg2+
3- Tổng hợp hydratcarbon
Các phản ứng hoạt hóa trong sinh tổng hợp
- Từ Glucose-1-phosphat tổng hợp thành glycogen có thể xảy ra như sau:
UTP + Glucos-1-phosphat UDP-glucose + P~P
 Sau đó UDP-glucosid tiếp tục liên kết với chuỗi polysaccharide đang tổng hợp (nhờ enzyme glycogensynthetase)
=>Trong quá trình trên có sự tiêu hao năng lượng ở dạng UTP. UTP được tạo thành từ ATP như sau:
UDP + ATP UTP + ADP
Như vậy cứ mỗi lần vận chuyển glucose tiêu hao mất một phân tử ATP.
- Sự biến đổi tương hỗ giữa Glucose -1,6- diphosphat, Glucose-1-phosphat và Glucose-6-phosphat quyết định con đường phân giải hay tổng hợp hydratcarbon.
3- Tổng hợp hydratcarbon
Các phản ứng hoạt hóa trong sinh tổng hợp
Bên cạnh con đường tổng hợp polysaccharide chung trên thì tại gan và thận có khả năng tổng hợp glucose hay glycogen hóa từ lactat, glycerin và các axit amin.
3- Tổng hợp hydratcarbon
Các phản ứng hoạt hóa trong sinh tổng hợp
4- Tổng hợp lipit
4.1- Sinh tổng hợp axit béo:
Trong cơ thể người và nhiều sinh vật khác có thể tự tổng hợp axit béo chuỗi ngắn cũng như chuỗi dài, ở trong cũng như ở ngoài ty thể. Nhưng đối với một số axit béo, đặc biệt là các axit béo có nhiều nối đôi như linolic, linolenic, … cơ thể không thể tự tổng hợp được, gọi là các axit béo cần thiết.
Các phản ứng hoạt hóa trong sinh tổng hợp
Các axit béo thường xuyên được đổi mới. Ở gan động vật có vú có 3 hệ thống enzyme xúc tác quá trình sinh tổng hợp axit béo ở những vùng khác nhau.
4- Tổng hợp lipit
4.1- Sinh tổng hợp axit béo:
* Khi tổng hợp axit béo ngoài ty thể đòi hỏi ATP và khung carbon. Khung carbon có thể do acetyl-CoA hay citrat cung cấp.
Các phản ứng hoạt hóa trong sinh tổng hợp
- Do tính chất bán thấm của màng mà liên kết thioester của acetyl-CoA không thể thấm trực tiếp qua màng mà phải chuyển hóa thành acetylcarnitin giàu năng lượng. Phản ứng này được sự xúc tác của enzyme chuyển nhóm acetylcarnitin là acetylcarnitintranferase và có thể không tiêu hao năng lượng:
acetyl-CoA + Carnitin Acylcarnitin + CoA.SH
4- Tổng hợp lipit
4.1- Sinh tổng hợp axit béo:
Các phản ứng hoạt hóa trong sinh tổng hợp
=> Bước tiêu hao năng lượng trong quá trình tổng hợp axit béo ở ngoài ty thể là bước carboxyl hóa từ acetyl-CoA đến malonyl-CoA.
Trong quá trình này malonyl-CoA được tạo thành từ sự cố định một phân tử CO2 trên một phân tử acetyl-CoA có sự xúc tác của enzyme biotin-acetyl-CoA-carboxylase.
HCO3- + ATP + acetyl-CoA  ADP + Pi + malonyl-CoA
Phản ứng này quyết định tốc độ tổng hợp axit béo nói chung
- Nếu citrat là chất tham gia phản ứng thì nhu cầu năng lượng để tổng hợp axit béo là gấp đôi.
=> Vì nhu cầu năng lượng từ phản ứng tách citrat (tricarboxylic) thành acetyl-CoA và oxaloacetat, sau đó là phản ứng chuyển acetyl-CoA đến malonyl-CoA như trên.
Citrat + CoA.SH + ATP acetyl-S.CoA + Oxalacetat +
ADP + P
4- Tổng hợp lipit
4.1- Sinh tổng hợp axit béo:
* Trong ty thể quá trình tổng hợp axit béo diễn ra ngược với quá trình β-oxy hóa axit béo Tất cả quá trình đều cần có sự tham gia của NADPH.
=> ý nghĩa chủ đạo là tiếp tục kéo dài chuỗi axít béo hiện có.
Các phản ứng hoạt hóa trong sinh tổng hợp
a. Tổng hợp Triacylglycerol:
Glycerol tham gia vào sự tổng hợp dưới dạng glycerol-3-phosphat. Axit béo trước khi được tổng hợp cũng phải được hoạt hóa tạo thành acyl CoA.
4- Tổng hợp lipit
4.2- Sinh tổng hợp Triacylglycerol, Glycerophospholipids và Steric:
Các phản ứng hoạt hóa trong sinh tổng hợp
b. Tổng hợp Glycerophospholipids
Để tổng hợp Glycerophospholipids, các base nitơ nhất thiết phải được hoạt hóa nhờ XTP thành XDP-colin hoặc XDP-etabolamin. Sau đó chuyển gốc base nitơ cho axit phosphatidic hoặc diglyceric.
 
4- Tổng hợp lipit
4.2- Sinh tổng hợp Triacylglycerol, Glycerophospholipids và Steric:
Các phản ứng hoạt hóa trong sinh tổng hợp
c. Sinh tổng hợp steric:
Steric là lipid phức tạp tạo bởi sterol và axit béo. Nguyên liệu để tổng hợp sterol là acetyl CoA. Quá trình sinh tổng hợp sterol (cholesterol) bao gồm các giai đoạn được mô tả khái quát như sau:
- Giai đoạn chuyển acetyl CoA thành mevanolate.
- Giai đoạn tổng hợp squanlen.
- Giai đoạn chuyển squalen thành cholesterol
Sơ đồ khái quát như sau:
4- Tổng hợp lipit
4.2- Sinh tổng hợp Triacylglycerol, Glycerophospholipids và Steric:
Các phản ứng hoạt hóa trong sinh tổng hợp
Chlesterol có vai trò quan trọng trong cơ thể, đặc biệt là ở người. Từ cholesterol sẽ tổng hợp nên một loạt các steroids khác là các hormon trong cơ thể. .
4.3. Sơ đồ điều hòa trao đổi lipid:
5.1- Sinh tổng hợp axit amin:
- Quá trình tổng hợp axit amin là cần thiết đối với mọi dạng sống.
- Khả năng tổng hợp các axit amin phụ thuộc vào dạng niơ mà cơ thể sử dụng.
Một cách chung nhất, muốn tổng hợp axit amin thì cần tổng hợp bộ khung carbon và chuyển hóa nitơ thành axit amin.
+ Bộ khung carbon của axit amin chủ yếu bắt nguồn từ các sản phẩm trung gian của các quá trình trao đổi chất (đường phân, chu trình Canvil, Crebs,…)
+ Quá trình cố định nitơ trong tự nhiên có thể diễn ra theo phương trình sau:
N2 + 6e-- + 12 ATP + 12 H2O  NH4+ + 12 ADP + 12 P + 4 H+
5- Sinh tổng hợp axit amin và protein
Các phản ứng hoạt hóa trong sinh tổng hợp
- Nguồn nitơ (không khí theo nước mưa xuống đất, quá trình cố định nitơ của vi sinh vật…) amoniac (NH4+)
- Con đường chuyển hóa các amoniac thành axit amin có thể thực hiện theo các con đường sau:
+ Amid hóa các cetoaxit và khử các cetoaxit thành axit amin:
Ví dụ:
R-CO-COOH + NH3  R-C-COOH + H2O
(axit pyruvic) NH (Iminoaxit)
R-C-COOH + NADPH2  R-C-COOH + NADP+
NH NH2
+ Bằng con đường tương tự thì hầu hết các axit amin có thể được tạo thành từ các cetoaxit tương ứng của mình.
Α-Cetoglutaric + NH3  axit glutamic
3- Những phản ứng hoạt hoá và sinh tổng hợp
3.5- Sinh tổng hợp axit amin và protein
3.5.1- Sinh tổng hợp axit amin:
+ Sinh tổng hợp amid từ các axit amin như:
Axit aspartic + NH3  Asparagin + H2O
+ Sinh tổng hợp các axit amin từ các axit không bảo hòa như:
HOOC-CH=CH-COOH + NH3  HOOC-CH2-CHNH2-COOH
(axit fumaric) (axit asparaginic)

+ Chuyển hóa axit amin này thành axit amin khác

=> Tóm lại, nhiều axit amin rất dễ được tạo thành bằng con đường amin hóa các cetoaxit tương ứng do tác động của các dehydrogenase (như glutamat, alanin, aspactat). Bên cạnh đó sự tổng hợp của một số các axit amin không theo con đường này, chúng được tạo thành từ sự biến đổi tương hỗ từ các axit amin khác hoặc khung carbon của chúng được tạo thành từ một số sản phẩm của sự trao đổi saccarit (3-phosphoglycerat, pyruvat, acetyl CoA )
Luận thuyết trung tâm:
Như đã biết, ở Eucaryote, ADN nằm trong nhân. Quá trình sinh tổng hợp protein lại diễn ra ở tế bào chất. Nếu thông tin được mã hóa trong ADN dùng để chỉ huy tổng hợp protein ở ribosome thì thông tin đó phải được chuyển từ nhân đến ribosome nhờ một chất chuyển trung gian. Khoa học đã chứng minh mARN là chất chuyển trung gian đã chỉ huy gắn các axit amin theo một trình tự nhất định, cho phép tổng hợp nên các protein đặc thù. Quá trình này được gọi là quá trình dịch mã. Như vậy, từ ADN đến protein gồm 2 quá trình nối tiếp nhau: sao mã và dịch mã
5- Sinh tổng hợp axit amin và protein
5.2- Sinh tổng hợp Protein:
Các phản ứng hoạt hóa trong sinh tổng hợp
Thông tin di truyền được sao chép trong mARN đưa đến protein đòi hỏi phải tồn tại các nhân tố thích ứng (adaptor) để thực hiện đồng thời hai chức năng: nhận cả mã di truyền và axit amin phù hợp theo sơ đồ:
5- Sinh tổng hợp axit amin và protein
5.2- Sinh tổng hợp Protein:
Các phản ứng hoạt hóa trong sinh tổng hợp
- Ngày nay, khoa học đã chứng minh: chất thích ứng đó là ARN vận chuyển- tARN (transfer ARN).
=> Các vấn đề trên được Francis Crick nêu lên trong luận thuyết trung tâm (central dogma) của sinh học phân tử công bố năm 1958. Nội dung chủ yếu của luận thuyết là:
- Thông tin di truyền được giữ trong axit nucleic (ADN hoặc ở một số virus là ARN), có thể truyền theo hướng axit nucleic  protein, nhưng thông tin không thể truyền theo hướng ngược lại từ protein đến axit nucleic.
- Thông tin di truyền được sao trên mARN chỉ có thể dùng để dịch ra protein mà không thể quay lại dùng làm vật liệu tổng hợp nên gen.
=> Nhưng cho đến nay người ta đã phát hiện được quá trình sao mã ngược ở virus. Do đó năm 1970, Crick đã bổ sung cho luận thuyết trung tâm như hình sau:
5- Sinh tổng hợp axit amin và protein
5.2- Sinh tổng hợp Protein:
Các phản ứng hoạt hóa trong sinh tổng hợp
Theo luận thuyết trung tâm của sinh học phân tử, thông tin của gen chứa trong axit nucleic có thể truyền cho hàng loạt thế hệ.
Phổ biến cho hầu hết các tế bào là thông tin truyền theo hướng ADNADN, ADNARN, ADNprotein.
Còn khả năng ARNARN, ARNADN chỉ đặc trưng cho một số virus.
Sự giải mã mARN thành trình tự chuỗi polypeptide có thể chia thành 4 giai đoạn như sau:
- Giai đoạn hoạt hóa axit amin.
- Giai đoạn khởi đầu tổng hợp chuỗi polypeptide.
- Giai đoạn kéo dài chuỗi polypeptide.
- Giai đoạn kết thúc chuỗi polypeptide và tách khỏi ribosome.
5- Sinh tổng hợp axit amin và protein
5.3- Cơ chế sinh tổng hợp protein trên ribosome:
Giai đoạn hoạt hóa axit amin:
- Axit amin được hoạt hóa bằng cách gắn với tARN riêng của nó. Quá trình này gồm 2 phản ứng được xúc tác bởi cùng một enzyme đặc hiệu đối với mỗi axit amin, đó là aminoacyl-tARN-synthetase (aaRS).
- Trong phản ứng thứ nhất, axit amin kết hợp với ATP tạo thành aminoacyl-AMP kèm theo giải phóng gốc pyrophotphat.
Các phản ứng hoạt hóa trong sinh tổng hợp
- Trong phản ứng thứ 2, aminoacyl-AMP sẽ phân li, cho phép axit amin gắn với tARN bằng liên kết este tạo bởi nhóm COO- của axit amin và nhóm 3’-OH của tARN tạo thành aminoacyl-tARN.
AA-AMP + tRNA  AA-tRNA + AMP
Hai phản ứng trên được khái quát bằng sơ đồ sau đây:
=> Về mặt năng lượng, quá trình sinh tổng hợp protein là một quá trình thu năng lượng. Ở vi khuẩn cũng như Eucaryote, nhu cầu năng lượng cho quá trình là rất lớn. Như đã trình bày chi tiết ở trên, để đưa một axit amin vào chuỗi polypeptide cần tiêu hao 03 liên kết cao năng:
- 01 ATP cho sự hoạt hóa axit amin ở giai đoạn đầu. Hình thành aminoacyl-tARN.
- 01 GTP để đưa aminoacyl-tARN trong tổ hợp ba (aminoacyl-tARN-EF-Tu-GTP) vào khu A của ribosome.
- 01 GTP cần để ribosome di chuyển một bộ mã.
Do giai đoạn khởi đầu còn cần 1 GTP tham gia để hình thành phức hợp khởi đầu nên để tổng hợp liên kết peptide đầu tiên phải sử dụng tới 4 liên kết cao năng.
Người ta cho rằng phân tử GTP tham gia vào quá trình này có 2 chức năng: một là tạo cấu hình thích hợp cần thiết cho sự tương tác tiếp theo, hai là đảm bào năng lượng để tổng hợp các liên kết peptide và sự di chuyển của ribosome trên mARN.