Bao Cao Hoa Sinh

Các con đường sinh tổng hợp acid amin ở vi sinh vật Nhóm 1

Trang 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 2

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 3

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 4

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 5

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 6

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 7

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 8

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 9

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 10

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:

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.

2.

+ + R1– CH – COOH

NH2

R2 – CH – COOH

NH2

R1 – C – COOH

O

R2 – C – COOH

O

acidamin 1 cetoacid 2 cetoacid 1 acidamin 2

CH2O

N

HO

H3C Protein

CH = O

P H2N – CH – R1

COOH

- H2O

H3C

HO

N

P CH2O

Protein

CH = N – CH COOH

R1

enzyme cơ chất phức enzyme – cơ chất


Trang 11

Tiếp đó phức hợp cơ chất enzyme chịu sự hỗ biến:

Phức hợp bị thủy phân để giải phóng ra cetoacid 1 và enzyme:

Đến lượt enzyme lại tương tác với cetoacid 2:

H3C

HO

N

P CH2O

Protein

CH = N – CH COOH

R1 CH2 – N = C COOH R1

P

N

CH2O

H3C

HO

Protein

CH2 – N = C COOH R1

P

N

CH2O

H3C

HO

Protein

+ H2O

CH2 – NH2

P

N

CH2O

H3C

HO

Protein R1 – C = O

COOH +

CH2 – NH2

P

N

CH2O

H3C

HO

Protein

+ COOH

C = O

R2

Protein

P

N

CH2O

H3C

HO CH2 – N = C – COOH

R2

- H2O

H2O

enzyme

cetoacid 2 phức cơ chất – enzyme

Protein

P

N

CH2O

H3C

HO CH2 – N = C – COOH

R2

hỗ biến P

Protein N

CH2O

H3C

HO

R2

CH = N – CH – COOH

cetoacid 1


Trang 12

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:

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.

CH2O

N

HO

H3C Protein

CH = O

P

COOH

C – NH2

R2

Protein N

CH2O

H3C

HO

R2

CH = N – CH – COOH

P + + H2O

enzyme ở trạng thái ban đầu acidamin 2


Trang 13

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 14

2.1. Từ α – ketoacid

2.1.1. Từ α – ketoglutarate

2.1.1.1. Glutamate / Glutamine

CH2C

H2C C COO-

H

NH3+

-O

O

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 15

glutamatdehydrogenase

NAPH + H+ NADP+C

CH2

CH2

COO-

COO-

O C

CH2

CH2

COO-

COO-

+H3N H

+ NH4+

alpha-ketoglutarate glutamate

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.

H2C

-OOC CH2

CCOO-

O

alpha-ketoglutarate

+ NH4+

H2OH2C

-OOC CH2

CCOO-

NH H

H2C

-OOC CH2

CCOO-

NH H

NAPH + H+ NADP+

H2C

-OOC CH2

CCOO-

NH3+

H

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 L-

glutamate.

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 16

-OOC

NH3+

HO

O-OOC

NH3+

HO

OHP

OHOH

OH

2-

ATP ADP

glutamate acyl-phosphate intermediate

-OOC

NH3+

HO

NH2

glutamine

PiNH3

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

C

CH2

CH2

COO-

C

+H3N H

O NH2

NAPH + H+ NADP+

+

C

CH2

CH2

COO-

COO-

O C

CH2

CH2

COO-

COO-

+H3N H

alpha-ketoglutarate glutamateglutamine

2


Trang 17

2.1.1.2. Proline

Hình 2.1 : Cấu trúc của Proline

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

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


Trang 18

Hình 2.2. Con đường sinh tổng hợp Proline từ Glutamate hoặc Ornithine


Trang 19

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 20

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 Pyrroline-

5-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:

C

CH2

CH2

COOH

COOH

HH2N

glutamate

Acetyl-CoA CoA

transacetylase

C

CH2

CH2

COOH

COOH

HHN

C

CH3

O

N-acetyl glutamate

ATP ADP C

CH2

CH2

OC

COOH

HHN

C

CH3

O

P

N-acetyl-gama-glutaminephosphate

reductase

NADPH NADP+ C

CH2

CH2

CHO

COOH

HHN

C

CH3

O

N-acetyl-glutamic-gama-semialdehyde

transaminenase

glutamatealpha-ketoglutarate C

CH2

CH2

NH2

COOH

HHN

C

CH3

O

N-acetyl-ornithine

N-acetylornithinease

C

(CH2)3

COOH

HH2N

NH2orthinine


Trang 21

Orthinine tiếp tục tham gia chu trình Ure tạo thành Arginine

C

(CH2)3

COOH

HH2N

NH2orthinine

carbamylphosphate

transcarbamylase

C

(CH2)3

COOH

HH2N

NH

C

NH2

O

Citrulline

ATP + Aspartate

AMP + PPi

C

(CH2)3

COOH

HH2N

NH

C

NH2

N C

COOH

CH2

H

COOHargininosuccinate

argininosuccinatesynthetase

argininosuccinase

fumarate

C

(CH2)3

COOH

HH2N

HN C

NH

NH2

L-arginine

2.1.2. Từ oxaloacetate

2.1.2.1. Aspatate/ Asparagine a. Aspatate

Aspartate được sinh ra bởi sự chuyển amin


Trang 22

C

CH2

CH2

COO-

COO-

+H3N H

+

CH2

C

COO-

COO-

Oaspartate transaminase

C

CH2

COO-

COO-

+H3N H+

C

CH2

CH2

COO-

COO-

O

glutamate oxaloactate aspartatealpha-ketoglutarate

b. Asparagine

Asparagine được tạo thành từ aspatate dưới tác dụng của enzyme Asparagine

synthetase.

Gồm 2 giai đoạn

Giai đoạn 1: Hoạt hóa nhóm carboxylate của aspatate bằng ATP tạo nên

aspartyl adenylate intermediate

Giai đoạn 2: Cặp nucleophile của ammoniac sẽ tấn công vào nhóm carbonyl

đã được hoạt hóa của aspartyl-adenylate


Trang 23

CH2C CC

NH3+

HO O

O O

aspartate H

N

HO OH

H HO

H

OPO

O

O

N

N

N

NH2

PO O

O

PO

O

O

OP

O

O

OP

O

O

O

H

N

H HO

H

OPO

O

O

N

N

N

NH2

C

OH2C

HC

NH3+

C

O

O

N

H

HH

AMP

C

OH2C

HC

NH3+

C

O

O NH2

Asparagine


Trang 24

Trong một quá trình khác, asparagine có thể được tạo ra bởi sự chuyển một

nhóm amin từ glutamine đến aspartate.

C

CH2

CH2

COO-

COO-

+H3N H

+

C

CH2

CH2

COO-

C

+H3N H

O NH2

ATP AMP + PPiC

CH2

C

COO-

+H3N H

NH2

O

+

C

CH2

CH2

COO-

COO-

+H3N H

aspartate glutamine asparagine glutamate

2.1.2.2. Methionine

CH2

HC

CH2OH

COOH

NH2

homoserine

CH2

CH2

C

COOH

+

OSCoA

transaminase CH2

HC

H2C

COOH

NH2

O C O

CH2

CH2

COOH

o-succinyl homoserinesuccinyl CoA

cistationine -gama-synthetase

CH2

HC

H2C

COOH

NH2

S CH2

HC

COOH

NH2

cystationine

CH2

HC

CH2

COOH

NH2

SH

cystationase

homocystein

+ CH2-THF

CH2

HC

CH2

COOH

NH2

S CH3

methionine

CH2-THF: N5-methyltetrahydrofolate


Trang 25

2.1.2.3. Threonine

CH2

HC

COOH

COOH

NH2

aspatate

ATP ADP CH2

HC

COPO3H2

COOH

NH2

beta-aspartylphosphate

NADPH + H+ NADP+ CH2

HC

CHO

COOH

NH2

aspartate-beta-semialdehyde

NADPH + H+

NADP+

CH2

CH

CH2OH

COOH

H2N

homoserine

ATP ADP

CH2

CH

H2C

COOH

H2N

O P

homoserinephosphate

Pi

C

C

CH3

COOH

H2N

OHH

H

L-threonine

2.1.2.4. Lysine a. Quá trình sinh tổng hợp L-Lysine ở vi khuẩn


Trang 26

COO-

-OOC

HH3N

ATP ADP -OOC

HH3NO

OP

OO

O

NADPH

NADP+

-OOC

HH3NO

H-OOC

HH3NHO O

COO-

H

N COO-

OHH

H

-OOCN COO-H

-OOCNADPH NADP+

N COO-H

-OOC

-OOC

HHN O

COO-

O

COO-

-OOC

HHN

H

COO-

O

COO-

NH3

L-aspartate L-aspartat-4-yl phosphate

aspartokinase

beta-aspartate semialdehydedehydrogenase

L-aspartate semialdehyde

pyruvate

dihydropicolinate synthetase

(S)-2,3-dihydropyridine-2,6-dicarboxylate

(S)-2,3,4,5-tetrahydropyridine-2,6-dicarboxylate

succinyl-CoA

CoA

N-succinyl-L-2amino-6-oxoheptanedionateN-succinyl-L-2,6-diaminoheptanedionate


Trang 27

-OOC

HNH3

H

COO-

NH3

H2O

succinate

epimerase

-OOC

HNH3

H

COO-

NH3

CO2

-OOC

HNH3

NH3

L-Lisine

meso-2,6-diaminoheptanedionateLL-2,6-diamino

heptanedionate

b. Quá trình sinh tổng hợp L-Lisine ở nấm men và nấm sợi


Trang 28

CO

CH3

S CoA

C

CH2

CH2

COOH

O COOHC

CH2

CH2

COOH

HO COOH

CH2

COOH

-H2O-CoASHC

CH2

CH2

COOH

COOH

CH

COOH

C

CH2

CH2

COOH

COOH

C

COOH

H

H

HO

C

CH2

CH2

COOH

COOH

C

COOH

H

O

CH2

CH2

CH2

COOH

C

COOH

O

CH2

CH2

CH2

COOH

C

COOH

NH2H

CH2

CH2

CH2

C

C

COOH

NH2H

O O AMP

CH2

CH2

CH2

H2C

C

COOH

NH2H

OH

CH2

CH2

CH2

H2C

C

COOH

NH2H

HN CH2

CH2

CH2

COOH CH2

CH2

CH2

H2C

C

COOH

NH2H

NH2

1

2

3 45

6

7

8

9

10

11

12 13 14 15

1. acetyl-CoA-alpha-ketoglutarate2. homocittrate synthetase3.homocitrate4.homoacotinate5.hidrase

6. homoizocitrate7. dehidrogenase8. alpha-ketoadipate9. transaminase10. alpha-aminoadipate

11. synthetase12. adenilyl-alpha-aminoadipat13. alpha-aminoadipic semialdehyde14. saccaropin15 Lisine


Trang 29

2.1.3. Từ pyruvat

2.1.3.1. Alanine Alanine được tạo thành từ phản ứng chuyển amin từ pyruvate và glutamate.

HC

CH2

COOH

NH2

CH2

COOH

+ H3C C

O

COO- H3CHC

NH2

COO- +CH2

-OOC

H2C

C

-OOC

O

glutamate pyruvate alanine alpha-ketoglutarate

2.1.3.2. Valine và Leusine Valine.

Hình 2.4: Cấu trúc của Valine

Tên khác : 2-amino-3-methylbutanoic acid.

Công thức phân tử : C5H11NO2

Khối lượng phân tử : 117.15 g/mol

Không phân cực, kỵ nước.


Trang 30

Leucine.

Hình 2.5. Cấu trúc của Leucine

Tên khác : 2-Amino-4-methylpentanoic acid


Khối lượng phân tử : 131.17 g mol−1

Không phân cực

Valine và Leucine là 2 trong những amino acid thiết yếu mạch nhánh mà cơ thể

động vật và con người không thể tự tổng hợp được mà phải được cung cấp thông

qua thức ăn hằng ngày.

Hình 2.6. Con đường sinh tổng hợp Valine


Trang 31

Valine và leucine đều đi từ piruvat và cùng chung sản phẩm trung gian là acid α

– cetoisovalerianic. Phụ thuộc vào tiaminpirophosphat mà piruvat sẽ ngưng tụ với

2 mảnh cacbon để tạo nên acid acetolactic. Dưới tác dụng của enzim

isomeroreductaza acetooxyacid (enzyme này đòi hỏi phải có mặt Mg2+ và

piridinnucleotit dạng khử) acid acetolactic sẽ chuyển vị pinacolic để tạo nên acid α,

β – dihydroxyisovalerate. Acid dihydroxyvalerianic này dưới sự xúc tác của enzyme

dehydratase của dihydroxyacid sẽ bị mất nước và tạo thành acid α –

ketoisovalerianic, sau khi chuyển amin hóa acid này dưới sự có mặt của enzym

valine aminotransferase sẽ trực tiếp biến thành valine.

Hình 2.7. Con đường sinh tổng hợp Leucine

Acid α – cetoisovalerianic ngưng tụ với acety – ScoA để tạo nên acid α–

isopropylmalate. Acid này sẽ biến thành aicd β –isopropylmalate nhờ enzym

isopropylmalate isomerase. Tiếp tục β –isopropylmalate sẽ bị khử cacboxyl hóa

bằng cách oxy hóa để tạo thành α –ketoisocaproate, và giải phóng CO2. Bước cuối


Trang 32

cùng α –ketoisocaproate thực hiện chuyển amin hóa nhờ enzym leucine

amonitransferase để tạo thành leucine.

2.1.3.4. Isoleusine Isoleucine là những acid amin có mạch nhánh. Isoleucine thì được tạo thành từ

treonin. Dưới tác dụng của enzym reonindehydratase, treonin bị chuyển hóa thành α

– cetobutirat. α - cetobutirat sẽ ngưng tụ với “acetaldehid hoạt hóa” (acetaldehid

hoạt hóa là nhóm α – oxyetyl của chất α – oxyetyl – 2 – tiaminpirophosphat) để tạo

thành acid α – aceto – α – oxybutyric một sản phẩm trung gian then chốt trong việc

tổng hợp isoleucine. Sự tổng hợp isoleucine từ sản phẩm này tiến hành rất giống sự

tổng hợp valine từ acetolactat. Hình như, ở giai đoạn cuối cùng trong phản ứng

chuyển amin hóa, cả hai phản ứng liên tiếp nhau đều chỉ có cùng một loại enzyme

xúc tác. Tuy nhiên để tổng hợp valine cả hai transaminase đều được sử dụng, còn để

tổng hợp isoleucine thì chỉ có một enzyme được sử dụng. Điều đó giải thích hiện

tượng là trong thiên nhiên có tồn tại những biến chủng cần isoleucine và không cần

valine. Cần chú ý rằng isoleucine ức chế hoàn toàn enzyme treonindehydratase

(đúng hơn là enzyme treonindezaminase) là enzyme xúc tác phản ứng đầu tiên của

chuỗi phản ứng sinh tổng hợp isoleucine. Sự kìm hãm treonindehydratase ở đây

mang tính chất canh tranh vì ái lực các enzyme vi L – isoleucine lớn hơn với L –

treonine 100 lần.


Trang 33

C

H

HOH2C NH2

COOH

H3CH2C C O

COOH

H3CH2C C OH

COOH

C

CH3

O

C OH

COOH

C

CH3

OH

HH2CH3C

C O

COOH

C

CH3

OHH2CH3C

C NH2

COOH

C

CH3

OHH2CH3C

H+NH2

-H2O

+2H+

-NH2

threonine alpha-ketobutirate

alpha-aceto-alpha-hydroxybutirate

alpha,beta-dihydroxy-beta-metyl valerat

alpha-keto-beta-metyl valerateL-Isoleucine

2.2. Từ phosphoglycerate

2.2.1.Serine Serine được tạo thành từ 2 giai đoạn từ 3 – phosphoglycerate

Giai đoạn 1: oxi hóa 3 – phosphoglycerate

Giai đoạn 2: amin hóa.


Trang 34

C

C

COO-

OHH

H

H O P

3-phosphoglycerat

phosphoglyceratedehydrogenase

NAD+ NADH + H+

C

C

COO-

O

H

H O P

3-phosphohydroxypyruvate

phosphoserine aminotranferase

glutamate

alpha-ketoglutarate

C

C

COO-

H

H

H O P

+H3N

3-phosphoserine

phosphoserine phosphataseC

C

COO-

H

H

H OH

+H3N

Serine

2.2.2. Glycine Glycine được tổng hợp từ serine dưới tác dụng của enzyme serine

hydroxymethyltransferase

C

C

COO-

H

H

H OH

+H3N

Serine

H4 folate N5, N10-methylene H4 folate

H2O

C

H

COO-

H+H3N

Glycine


Trang 35

a. Tetrahydrofolate

Tetrahydrofolate gồm có 3 nhóm: pteridine, amino benzoate và 1 nhánh gồm 1

hay nhiều phân tử glutamate.

N

N

OH

H2N

NH

HN

H

HN

O

HN

COO-H

O

NH

COO-

H-OOC

n

Pteridine

p-aminobenzoate

Glutamate

Ở động vật có vú, chúng có thể tổng hợp cả 3 thành phần trên nhưng lại thiếu

enzyme để lien kết chúng lại với nhau. Ngược lại, ở vi sinh vật lại có những enzyme

lien kết cần thiết và có thể sản sinh ra folate. Dưới tác dụng của enzyme

dihydrofolate reductase. Folate sẽ bị biến đổi tạo thành THF.


Trang 36

HN

N

O

H2N

N

N

H2C N R

H

folate

NADPH + H+

NADP+

HN

N

O

H2N

N

HN

H2C N R

H

dihydrofolate

NADPH + H+

NADP+

HN

N

O

H2N

NH

HN

H2C N R

H

tetrahydrofolate


Trang 37

Tetrahydrofolate là chất mang các nhóm 1 carbon, hình thành liên kết giữa N5

và N10. Carbon này có thể ở 3 trạng thái oxy hóa khác nhau: methyl (CH3);

methylene (-CH2); formyl (-CHO); formimino (-CHNH) hay methenyl (-CH=).

Nhóm một carbon được vận chuyển bằng THF có thể biến đổi qua lại:


Trang 38

NH

HN

H

HN

tetrahydrofolate

Ser Gly

N

HN

H5

10 H2C N

N5, N10-methylene-tetrahydrofolate

H+

+NADPH NADP+

N

HN

H

H3C HN

N5-methyl-tetrahydrofolate

formate + ATP

ADP +Pi

NH

HN

H

HCN

O

N10-formyl-tetrahydrofolate

N

HN

H

HC N

N5, N10-methenyl-tetrahydrofolate

NADP+

NADPH

NH3

N

HN

H

CH HN

N5-formimino-tetrahydrofolate

HN

N

HN

H

CH HN

N5-formyl-tetrahydrofolate

O


Trang 39

NH

OH2- O3PO

HN

lys

+

C

O

CH

O

CH2

OH

H3N

NH

OH2- O3PO

HN

HC CH2C O H

O

O BH

H2C O

NH

OH2- O3PO

HN

CHC

O

O


Trang 40

NH

OH2- O3PO

HN

CHC

O

O H B

N

OH2- O3PO

HN

CH2C

O

O

NH

OH2- O3PO

HN

lys

+C

CH2

O

O

NH3

Glycine

b. SAM

THF có thể có chứa nhóm methyl, nhưng năng lượng của chúng lại không đủ

để thực hiện toàn bộ quá trình chuyển nhóm metyl, do đó chất chứa nhóm methyl

được sử dụng nhiều nhất là S-Adenosylmethionine (SAM). SAM được hình thành

bằng sự chuyển nhóm adenosyl từ ATP sang methionine. Nhóm methyl của

methionine sẽ được hoạt hóa bởi điện tích dương trên nguyên tử S, chính điện tích

dương này làm cho quá trình chuyển nhóm methyl diễn ra mạnh mẽ hơn so với N5-

methyl-THF.


Trang 41

S

H3C

-OOC NH3+

H

+ ATP

S

H3C

-OOC NH3+

H

N

H

OHOH

H

O N

N

NH2

+ Pi + PPi

Methionine S-Adenosylmethionine (SAM)

RH

RCH3 + H+

S

-OOC NH3+

H

N

H

OHOH

H

O N

N

NH2

H2OAdenosineSH

-OOC NH3+

H

Homocystein

Homocystein được chuyển thành methionine bằng cách chuyển nhóm methyl

từ N5-methyltetrahydrofolate dưới tác dụng của enzyme homocystein

methyltransferase.


Trang 42

SH

NH3+

-OOC

H

Homocystein

+N

HN

CH3

H

HN S

NH3+

-OOC

H

H3C

+NH

HN

H

HN

N5-methyl-tetrahydrofolate methionine tetrahydrofolate

2.2.3. Cystein Homocystein là sản phẩm trung gian trong quá trình sinh tổng hợp cystein.

Serine và homocystein kết hợp với nhau dưới tác dụng của enzyme cystathionine β-

synthase tạo thành cystathionine. Sau đó thực hiện phản ứng khử amin

cystathionine dưới tác dụng của enzyme cystathionine γ-lyase. Cả hai enzyme này

đều có cofactor là pyridoxal phosphate.


Trang 43

C

COO-

+H3N CH2

HCH2

SH+ C

COO-

NH3+

HH2C OH

Homocystein Serine

H2O

Cystathionine beta-synthase

C

COO-

+H3NH2C

HCH2

SCH2

C

NH3+

COO-

cystathionine

H2O

cystathionine gama-lyase

C

COO-

+H3NH2C

HSH + C-OOC

O

H2C CH3

cystein alpha-ketobutyrate


Trang 44

2.3. Các amin thơm

Tryptophan

Hình 2.8: Cấu trúc của tryptophan

Tên khác : 2-Amino-3-(1H-indol-3-yl)propanoic acid

Công thức phân tử : C11H12N2O2


Phenylalanine

Hình 2.9: Cấu trúc của tryptophan

Tên khác : 2-Amino-3-phenylpropanoic acid




Trang 45

Tyrosine

Hình 2.10: Cấu trúc của tyrosine

Tên khác : 2-Amino-3-(4-hydroxyphenyl)propanoic acid

Công thúc phân tử :C9H11NO3


* Cơ chế sinh tổng hợp

Con đường sinh tổng hợp các amino acid thơm phenylalanine,

tyrosine và tryptophan cũng có chung nhiều tiền chất trung gian


Trang 46

Hình 2.11. Con đường chung tổng hợp các amino acid thơm (phenylalanine,

tyrosine, tryptophan). (Theo: Prescott và cs, 2005)

Hình 2.12 .Mối liên hệ của quá trình tổng hợp các acid amin thơm và vitamine

ở E. coli


Trang 47

2.3.1. Tổng hợp ra tiền chất trung gian Chosrimate.

Hình 2.13. Con đường sinh tổng hợp Chorismate

Sinh tổng hợp Chorismate chỉ có thể xảy ra ở thực vật và vi khuẩn, không xảy ra

ở động vật

Bước đầu tiên là sự ngưng tụ của phosphoenolpyruvate ( là một glycolytic trung

gian ) với erythroe-4-phosphate ( một pentose phosphate ). Kết quả là tạo ra một

hợp chất 7 carbon mở đầu cho chuỗi oxy hóa tiếp theo, hợp chất đường này sau đó

bị mất đi nhóm phosphoryl, thực hiện việc đóng vòng tạo thành 3-dehydroquynate.


Trang 48

Phản ứng tiếp theo là sự loại đi 1 phân tử nước để tạo ra 3-dehydroshikimate. Sự

khử NADPH +H+ thành NADP+ từ 3-dehydroshikimate thành shikimate. Tiếp thep

shikimate lấy 1 nhóm phosphoryl từ ATP tạo thành shikimate-3-phosphate và ADP.

Một phân tử phosphoenolpyruvate thứ hai sẽ được sử dụng để ngưng tụ với

shikimate-3-phosphate, tại đây khi kết hợp với shikimate-3-phosphate nó sẽ bị mất

đi nhóm phosphoryl của nó, tạo thành 3-enolpyruvyl-shikimate-3-phosphate rồi tạo

ra chorismate . Đây chính là tiền thân chung của cả 3 acid amin thơm. Các enzyme

tham gia vào các phản ứng gồm:

1) 3-deoxy-D-arabino-heptulosonate 7-phosphate synthetase (DAHP synthetase )

2) 3-dehydroquinate synthetase.

3) dehydroshikimate reductase.

4) shikimate kinase.

5) 5-enolpyruvylshikimnate 3-phosphate synthetase.

6) chorismate synthetase .


Trang 49

2.3.2. Sinh tổng hợp Phenylalanine và Tyrosine

Hình 2.14. Con đường sinh tổng hợp Tyrosine và Phenylalanine

Chorismate tự chuyển thành prephenate, đây là tiền chất trực tiếp của 2 acid

amine thơm phenylalanine và tyrosine. Từ chất này nó có thể dehydro hóa và

decarboxyl hóa để tạo thành phenylpyruvate hoặc theo 1 cách khác, nó có thể khử

decarboxyl tạo thành -hydroxylphenylpyruvate. Tại đây những α-ketoacid được

thực hiện transaminate để tạo thành phenylalanine và tyrosine. Các enzym tham gia

phản ứng bao gồm :

1) choris-mate mutase.

2) prephenate dehydratase.

3) phenylalanine transaminase.

4) prephenate dehydrogenase.

5) tyrosine transaminase.


Trang 50

Ngoài ra Tyrosine còn có thể được tổng hợp từ phenylalanine nếu nhu cầu về

tyrosine bị thiếu, lúc này một nửa lượng phenylalanine sẽ bị lấy đi để thực hiện việc

sản xuất tyrosine. Phản ứng này thực hiện nhờ enzym phenylalanine hydroxylase,

đây là một enzyem có chức năng hỗn hợp, một nguyên tử oxy được đưa vào trong

nước, các nguyên tử khác được đưa vào nhóm hydroxyl của tyrosnie. Chất khử là

một cofactor tetrahydrobiopterin, nhờ enzym dihydropteridine reductase ,

dihydrobiopterin tạo thành lại được tổng hợp nên tetradrobiopterin để tiếp tục thực

hiện việc tổng hợp tyrosine

Hình 2.15. Con đường tổng hợp Tyrosine từ Phenylalanine

2.3.3. Sinh tổng hợp Tryptophan


Trang 51

Hình 2.16. Con đường sinh tổng hợp Tryptophan

Chorismate nhận 1 nhóm amin từ glutamine thủy phân mạch bên, tạo thành

anthranilate và giải phóng 1 pyruvate. Sau đó anthranilate ngưng tụ với 5-

phosphoribosyl-1-pyrophosphate (PRPD), một dạng hoạt hóa của ribose phosphate.

PRPD cũng là một chất trung gian quan trọng để tổng hợp histidine, các nucleotide

purine, và các nucleotide pyrimidine. Nguyên tử C ở vị trí C-1 của ribose 5-

phosphate liên kết với nguyên tử nitơ của anthranilate trong phản ứng , và giải

phóng ra 1 pyrophosphate. Một nửa ribose của phân tử phosphoribosylanthranilate

chịu sự sắp sếp lại để tạo thành 1-(o-carboxyphenylamino)-1-deoxyribulose 5-

phosphate. Sau đó ngay lập tức thực hiện dehydrate và decarboxylate tạo thành


Trang 52

indole-3-glycerol phosphate, rồi thực hiện cắt 3-glycerol phosphate để cho ra

indole. Tiếp theo Indole phản ứng với serine để tạo thành tryptophan. Trong bước

cuối cùng phản ứng được xúc tác bởi enzym synthetase tryptophan. Mạch bên của

indole-3-glycerol phosphate được lấy ra tạo thành glyceraldehyde 3-phosphate và

thay thế vào đó là bộ khung carbon của serine. Các enzym tham gia phản ứng gồm :

1) anrailaie synthetase

2)anthranilate-5'-phosphoribosyl-1-pyrophosphatephosphoribosyl transferase (PR

transferase)

3) N-(5'-phosphoribosyl)-anthranilate isomerase

4) indoleglycerol phosphate synthetase

5) tryptophan synthetase

2.4. Histidine

The synthesis of histidine is long and complex and its pathway is intertwined with nucleic

acid biosynthesis (specifically purine). Đây là con đường tổng hợp chung cho tất cả các vi

sinh vật có khả năng tổng hợp histidine. Đầu tiên là phản ứng tách nhóm Ribose từ

phosphoribosyl pyrophosphate (PRPP) và chuyển sang Imadiazoleglycerol phosphate. Khi

liên kết imadiazole được hình thành, glutamate sẽ cho nhóm và amin mới được tạo thành

sẽ tiếp tục bị oxi hóa thành histidine ở giai đoạn cuỗi của quá trình. Nguồn năng lượng sử

dụng trong trường hợp này là ATP (trong trường hợp này, các nguyên tố của phân tử ATP

sẽ trờ thành thành phần của acid amin và pyrophosphate được hình thành từ

phosphoribosyl pyrophosphate.


Trang 53

Hình 2.16. Sinh tổng hợp Histidine


Trang 54

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN Ngày nay các acid amin được sử dụng rộng rãi trong y học, trong chăn nuôi và

trong công nghệ thực phẩm. Trong số 20 acid amin thường gặp trong phân tử acid

amin mà cơ thể người và động vật không thể tự tổng hợp được mà phải đưa từ ngoài

vào qua thức ăn . Trong khi đó, vi sinh vật lại có khả năng tổng hợp hết 20 acid

amin đó. Mặc dù có thể sản xuất bằng con đường tổng hợp hóa học nhưng nhược

điểm của phương pháp này là sản sinh ra cả hai dạng đồng phân quang học. Trái lại

con đường tổng hợp sinh học chỉ sản xuất ra các L-acid amin là dạng hay gặp trong

cấu trúc của protein trong cơ thể sống.


Trang 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Văn Kiệm (chủ biên), Nguyễn Văn Kình, Nguyễn Văn Mùi, Hóa sinh

động vật, BGD-ĐT Đại Học Nông Nghiệp Hà Nội, 2005.

2. Nguyễn Đình Quyến, Nguyễn Lân Dũng, Sử dụng năng lượng trong sinh tổng

hợp ở vi sinh vật.

3. Frank Gibson and James Pittard, Pathways of Biosynthesis ò Aromatic Amino

Acids and Vitamins and Their Control in Microorganisms, Bacteriological Reviews,

Dec.1968, p 465 – 492

4. http://www.blc.arizona.edu/courses/bioc462b/grimes/nitrogen06/aa.cfm

5. http://www.biocarta.com/genes/catMetabolism.asp

6. http://lecturer.ukdw.ac.id/dhira/Metabolism/aminoacids.html

7. http://www.themedicalbiochemistrypage.org

Documents

Bao Cao Hoa Sinh