Giáo trình sinh hóa động vật phần 7

Chia sẻ: Than Con | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:34

Thêm vào BST

Báo xấu

110
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

5.2.3. Chu trình Glyoxylate Quá trình biến đổi phosphoenolpyruvate thành pyruvate và pyruvate thành acetyl-CoA là quá trình không đảo ngược vì cả hai đều là quá trình giải phóng năng lượng. Phosphoenolpyruvate có thể được tổng hợp từ oxaloacetate trong phản ứng ngược được xúc tác bởi cacboxykinase.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình sinh hóa động vật phần 7

5.2.3. Chu trình Glyoxylate Quá trình biến đổi phosphoenolpyruvate thành pyruvate và pyruvate thành acetyl-CoA là quá trình không đảo ngược vì cả hai đều là quá trình giải phóng năng lượng. Phosphoenolpyruvate có thể được tổng hợp từ oxaloacetate trong phản ứng ngược được xúc tác bởi cacboxykinase. Oxalo acetate + GTP phosphoenolpyruvate + CO2 + GDP Hình 6.43a: Chu trình glyoxylate và quan hệ của nó với chu trình acid citric. Các nguyên tử carbon từ các phân tử acetate đi vào chu trình acid citric không thể biến đổi trực tiếp thành oxaloacetate vì chúng ra khỏi chu trình dưới dạng 2 phân tử CO2, nên acetate không thể biến đổi ngược về phosphoenolpyruvate để tổng hợp đường glucose. Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 199 http://www.ebook.edu.vn
Ở thực vật và một số vi sinh vật như E.coli và nấm men, acetate có thể có cả 2 vai trò: cung cấp năng lượng và như một nguồn phosphoenolpyruvate cho tổng hợp carbonhydrate. Những sinh vật này có một chu trình glyoxylate biến đổi acetate thành oxaloacetate. Ở những sinh vật này, một số enzyme của chu trình acid citric đồng thời xúc tác cả 2 quá trình (1) oxy hóa acetyl-CoA thành CO2, xảy ra ở hầu hết các mô, và (2) chu trình glyoxylate. Chu trình glyoxylate là biến dạng của chu trình acid citric (hình 6.43a,b). 2 AcetylCoA + NAD+ + 2H2O → Succinate + 2CoA + NADH + H+ Chú ý rằng chu trình glyoxylate bỏ qua 2 phản ứng decarboxyl hóa của chu trình acid citric và 2 phân tử acetyl-CoA đi vào chu trình glyoxylate ở mỗi chu trình nhưng chỉ có một phân tử acetyl-CoA đi vào chu trình acid citric. Ở thực vật, các enzyme của chu trình glyoxylate tạo thành cụm gắn vào màng glyoxysome của một bào quan thường. Hình 6.43b: Chu trình glyoxylate và quan hệ của nó với chu trình acid citric. Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 200 http://www.ebook.edu.vn
Hình 6.44. Các phản ứng của chu trình glyoxylate (ở glyoxysome) tương ứng với các phản ứng của chu trình acid citric ( ở ty thể), các chất trung gian thông qua phần chất tan giữa các ngăn Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 201 http://www.ebook.edu.vn
Hình 6.45. Quá trình điều hòa hoạt tính isocitrate dehydrogenase xác định sự phân bố của isocitrate giữa chu trình glyoxylate và chu trình acid citric. Khi isocitrate bị dehydrogenase mất hoạt tính do quá trình phosphoryl hóa (bởi một protein kinase đặc hiệu), isocitrate đi vào các phản ứng sinh tổng hợp qua chu trình glyoxylate, còn khi enzyme được hoạt hóa nhờ khử quá trình carboxyl hóa (bởi một phosphatease đặc hiệu), isocitrate đi vào chu trình acid citric và kết quả là tạo ATP. Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 202 http://www.ebook.edu.vn
Các enzyme này xúc tác chung cho cả chu trình acid citric và glyoxylate có 2 dạng đồng phân, một đặc hiệu với ty thể và dạng kia đặc hiệu với glyoxysome. Glyoxysome không phải lúc nào cũng có mặt ở mọi mô thực vật mà chúng xuất hiện nhiều nhất ở hạt giàu chất béo trong quá trình nảy mầm, trước khi mầm, cây đủ lớn có thể tự tạo carbonhydrate thông qua quá trình quang hợp. Vì vậy glyoxysome có mặt đủ các enzyme xúc tác quá trình phân giải acid béo dự trữ trong hạt thành acetyl-CoA và biến đổi thành malate qua chu trình glyoxylate. Malate sau đó biến đổi thành malate oxaloacetate và glucose (hình 6.44). Aspartate mang bộ khung carbon của oxaloacetate từ chu trình acid citric (ở ty thể) tới glyoxysome, nơi nó kết hợp với acetyl-CoA từ sự phân huỷ acid béo. Citrate vì vậy tạo thành isocitrate nhờ aconitase, sau đó phân giaỉ thành succinate nhờ isocitrate lyase. Succinate quay lại ty thể, nơi nó đi vào chu trình acid citric và chuyển thành oxaloacetate có thể lại tới glyoxysome. Glyoxylate được tạo thành phía trong glyoxysome kết hợp với acetyl-CoA để tạo thành malate đi vào phần chất tan và oxy hóa (nhờ malate dehydrogenase tế bào) thành oxaloacetate, tiền chất của glucose qua quá trình tạo glucose. Bốn con đường khác nhau tham gia vào các quá trình chuyển hóa này: acid béo bị phân huỷ thành acetyl-CoA (ở glyoxysome), chu trình glyoxylate (ở glyoxysome), chu trình acid citric (ở ty thể) và quá trình tạo glucose (ở phần chất tan). Sự tham gia của các chất trung gian cần các con đường điều hòa và phối hợp này. Isocitrate là một chất trung gian rất quan trọng, nằm ở nhánh giữa chu trình glyoxylate và chu trình acid citric (hình 6.45). 6. Sự điều hoà quá trình trao đổi glucid Trong cơ thể động vật có hai hệ thống có tác dụng điều hoà quá trình trao đổi vật chất đó là thần kinh và hormone. Trao đổi vật chất là một quá trình thống nhất, những biến đổi trong quá trình trao đổi glucid đều ảnh hưởng và tác động đến quá trình trao đổi chất nói chung như trao đổi protein, trao đổi lipid... và ngược lại. Tuy vậy mỗi quá trình trao đổi cũng có nét đặc thù riêng của nó. Đối với trao đổi đường, máu là cầu thăng bằng hàm lượng đường giữa gan và các cơ quan. Hàm lượng đường trong máu thường ổn định ở các loài gia súc, điều này có một ý nghĩa quan trọng đối với việc duy trì áp suất thẩm thấu của máu với mô bào. Ở một cơ thể có trao đổi glucid bình thường thì hàm lượng đường trong máu dao động trong một phạm vi nhất định gọi là hằng số hoá sinh đặc thù như ở người là 80-120mg%; Lợn, chó, mèo là 80-120mg%; gia cầm 150-300 mg%; trâu bò 45-70mg%; ngựa 70-150mg%. Khi động vật ăn nhiều đường, số thừa sẽ biến thành glycogen dự trữ ở gan, ở cơ, khi các mô bào cần tới thì loại đường này lại được huy động để sử dụng. Có nghĩa là nếu hàm lượng đường vượt quá khoảng dao động tối thiểu, tối đa đó thì thần kinh và thể dịch sẽ điều hoà làm cho nó về khoảng dao động đó. 6.1.Về thần kinh Não của động vật chủ yếu dùng glucose làm nguồn năng lượng. Trong điều kiện bình thường 1/4 lượng đường dùng cho não, bất cứ một sự giảm hàm lượng đường nào trong máu đều ảnh hưởng ngay tới não, não rất nhạy cảm với hàm lượng đường trong máu. Thường các Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 203 http://www.ebook.edu.vn
trạng thái hưng phấn làm hàm lượng đường trong máu tăng. Ở đáy buồng não 4 có một trung tâm thần kinh cảm thụ được hàm lượng đường trong máu. Từ đó khi hàm lượng đường trong máu thay đổi nó sẽ phát tín hiệu đến các bộ phận điều chỉnh, trước hết là tới vùng dưới đồi (hypothalamus) rồi từ đó tín hiệu xuống tuyến yên, từ tuyến yên sẽ đi tới hai đối tượng tác động chính là tuyến thượng thận và tuyến tuỵ ( đảo Landexhan). 6.2.Về thể dịch Tuyến tuỵ ở đảo Landexhan có tế bào β sản sinh ra Insuline và tế bào α sản sinh ra glucagon, đây là hai hormone của tuyến tuỵ điều hoà hàm lượng đường trong máu. Insuline tiết ra hàng ngày khoảng 10-25mg, nhiều gấp 5 lần nhu cầu, khi mới tiết ra dưới dạng proInsuline chưa có hoạt tính. ProInsuline gồm 3 chuỗi: Chuỗi A gồm 21 acid amin, chuỗi B gồm 30 acid amin, giữa 2 chuỗi này có 2 cầu nối disulfid. Ở chuỗi A có 1 cầu disulfid. Giữa chuỗi A và B là chuỗi C. Chuỗi C gồm có 30 acid amin, nó được nối với chuỗi A và B bởi 2 cặp acid amin kiềm tính (arg.arg và arg.Lyz). Khi có nhu cầu về Insuline nó được enzyme peptinase cắt bỏ chuỗi C và tạo thành Insuline có hoạt tính. Insuline ở những động vật khác nhau thì khác nhau chủ yếu ở chuỗi A và tập trung vào các acid amin 8,9,10, 12 và 14, còn chuỗi B hầu như giống nhau, khác nhau chủ yếu ở acid amin 30. Do đó có thể dùng khác loài song hiệu quả không cao. Khi tiết ra máu Insuline được vận chuyển với 1 protein và một phần với màng của hồng cầu. Sau khi hoạt động xong Insuline được phân huỷ bởi Insulinease, enzyme này có nhiều ở gan. Tác dụng của Insuline là làm giảm hàm lượng đường trong máu khi hàm lượng này vượt quá mức dao động tối đa. Về cơ chế tác dụng của Insuline: người ta thấy đây là loại hormone có tác dụng rất rộng rãi, đa dạng, nó làm cho tế bào lipid, cơ tăng cường sự hấp thu đường để tổng hợp lipid, glycogen. Khi có mặt của Insuline thì các quá trình vận chuyển đường qua màng tế bào được tăng cường và tăng cường quá trình phosphoryl hoá đường, từ đó glucose đi vào các con đường tổng hợp. Một enzyme chịu tác động rõ rệt nhất của Insuline là hexokinase làm hoạt hoá đường, thông qua con đường này glucose đi vào quá trình phân giải tạo năng lượng cho tế bào của cơ thể. Mặt khác Insuline có tác dụng ngăn cản sự hoạt động của nhóm corticosteroid (hormone sinh mới glucose), đồng thời nó ức chế enzyme adenylatcyclase, ngăn cản sự chuyển hoá glycogen thành glucose. Với những tác động trên hàm lượng đường trong máu sẽ giảm. Glucogon là một chuỗi peptide 29 acid amin. do tế bào α của đảo Landexhan tiết ra, nó là một polipeptide gồm 29 gốc acid amin. Khi mới tiết ra ở dạng proglucagon không có hoạt tính có thêm 8 gốc acid amin ở đầu COOH, tức là có 37 acid amin. Trước khi đổ vào máu nó tự cắt bỏ 8 gốc acid amin này và trở thành glucagon có hoạt tính. Glucagon có tác động đối kháng với Insuline làm tăng hàm lượng đường trong máu. Cơ chế tác động của nó giống như Adrenalin là hoạt hoá hệ thống enzyme protein-kinase thông qua 3'-5'-AMP vòng, hệ thống enzyme này có tác dụng phân giải glycogen thành glucose. Tuy nhiên nó chỉ phát huy tác dụng ở gan, không có tác dụng ở cơ. Tuyến thượng thận: Tiết ra Adrenalin, nor Adrenalin và corticosteroid. Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 204 http://www.ebook.edu.vn
Adrenalin và Nor adrenalin: Khi hàm lượng glucose trong máu giảm xuống thì tín hiệu được truyền đến miền tuỷ thượng thận, ở đây tiết ra Adrenalin và Nor adrenalin, chúng có tác dụng làm tăng hàm lượng đường trong máu. Cơ chế tác động của chúng là hoạt hoá hệ thống enzyme protein kinase thông qua 3'-5'- AMP vòng, nhờ tác động lên enzyme adenylatcyclase nằm tại điểm cảm thụ của chúng trên màng tế bào (xem phần cơ chế tác dụng của hormone). Đặc điểm của chúng là với liều rất nhỏ (hàm lượng trong máu khoảng 10mμ) nhưng hiệu quả tác dụng rất lớn, chúng phát huy tác dụng cả ở gan và cơ. Ở cơ quá trình phân giải glycogen chỉ đến glucose-6P, glucose-6P sẽ đi vào con đường oxy hoá ngay, không thành glucose. Hoạt lực của Adrenalin cao hơn so với Nor adrenalin. Ngoài ra Adrenalin còn có tác dụng làm tăng cường co bóp của tim, làm tăng tuần hoàn máu. Tất cả các hiện tượng hưng phấn, hồi hộp, stress đều gây tiết Adrenalin và làm tăng hàm lượng đường trong máu. Nhóm corticosteroid do miền vỏ thượng thận tiết ra, đây là nhóm hormone sinh mới glucose (glucose được sinh ra từ protein, lipid). Dưới tác dụng của nhóm hormone này quá trình phân giải acid amin được đẩy mạnh, biến acid amin thành các cetoacid, từ các cetoacid này chuyển hoá thành đường Protease Oxydase Protein --------- > Acid amin -------- > NH3 + ceto acid (pyruvic, oxaloaxetic, α-ceto glutamic) -------- > glucose. Corticosteroid có tác dụng hoạt hoá các enzyme ở trên. Ngoài ra một số hormone như Thyroxin của tuyến giáp trạng làm tăng cường quá trình oxy hoá từ đó cùng làm giảm hàm lượng đường trong máu. 6.3. Các enzyme điều hoà hoạt động như những van điều chỉnh trao đổi đường. Quá trình dị hóa saccharide cung cấp ATP và các tiền chất cho các quá trình sinh tổng hợp khác nhau. Đối với các tế bào điều quan trọng nhất là làm sao giữ ổn định nồng độ ATP không thay đổi. Điều này đạt được nhờ sự điều hoà của một số enzyme chìa khóa chịu trách nhiệm xúc tác một số phản ứng ở các giai đoạn quan trọng của quá trình dị hóa. Trong quá trình đường phân ở mô cơ và gan có 4 enzyme sau đây đóng vai trò điều hoà: Glycogen phosphorylase, hexokinase, phosphofructokinase và piruvate kinase. Để duy trì sự tồn tại của mình, cơ thể sống luôn phải duy trì trạng thái cân bằng hoạt động của quá trình chuyển hóa trao đổi chất. Do đó khi xuất hiện biến động làm thay đổi trạng thái trên các cơ chế điều hoà hoạt động sống phải điều chỉnh sao cho trạng thái nội môi của cơ thể sống vẫn được duy trì. Vì ATP giữ vai trò then chốt trong tất cả các chu trình tiến hóa trao đổi chất của cơ thể nên trong quá trình tiến hoá và chọn lọc tự nhiên đã xuất hiện một số enzyme điều hoà và duy trì sự ổn định hàm lượng ATP. Trong thực tế dòng vận chuyển các chất trao đổi phụ thuộc vào hoạt độ của enzyme xúc tác các phản ứng trao đổi chất. Trong số các enzyme xúc tác toàn bộ một chu trình biến đổi chất nào đó (như đường phân chẳng hạn) bao giờ Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 205 http://www.ebook.edu.vn
cũng có một số lớn enzyme hoạt động ở trạng thái cân bằng. Các enzyme này có hoạt tính rất cao, có thể biến đổi cơ chất vừa được chuyển đến thành sản phẩm của phản ứng, nghĩa là tốc độ dòng trao đổi chất ở giai đoạn phản ứng biến đổi chỉ bị giới hạn bởi cơ chất và được xác định bởi hàm lượng cơ chất ở thời điểm nói trên. Tuy nhiên không phải toàn bộ các phản ứng đều được xúc tác như vậy. Sự thực trong bất cứ chu trình biến đổi vật chất nào trong cơ thể sống cũng có một số phản ứng hoạt động ở trạng thái rất xa trạng thái cân bằng. Ví dụ, trong quá trình đường phân hằng số cân bằng K’eq của phản ứng do enzyme phosphofructose kinase 1 xúc tác có giá trị khoảng 250. Trong khi tỷ lệ khối lượng tác động (fructose-1,6- diphosphate [ADP]/ [fructose–6-phossphat][ATP]) của phản ứng lại rất nhỏ khoảng 0,04. Sở dĩ phản ứng trên ở rất xa vị trí cân bằng vì tốc độ biến đổi fructose-6-phosphate thành fructose-1,6-diphosphate bị giới hạn bởi hoạt tính của enzyme xúc tác. Do đó dù có gia tăng dòng fructose-6-phosphate do các phản ứng trước đó tạo ra, thì tốc độ của phản ứng trên vẫn không thay đổi đáng kể. Điều này có nghĩa là enzyme phosphofructokinase-1 hoạt động như van điều khiển toàn bộ dòng vận chuyển trao đổi chất của quá trình đường phân. Theo quy luật chung thì trong bất kì chu trình chuyển hóa nào cũng phải có ít nhất 1 phản ứng giai đoạn được xúc tác bởi enzyme điều hoà, có hoạt tính xúc tác chủ yếu, hoạt động ở trạng thái cân bằng. Phản ứng này được gọi là phản ứng bị giới hạn bởi enzyme khác với các phản ứng bình thường khác bị giới hạn bởi cơ chất và giai đoạn phản ứng này chính là giai đoạn giới hạn tốc độ của toàn bộ quá trình. Thông thường các phản ứng giới hạn đều là các phản ứng phát nhiệt chỉ xảy ra theo một chiều. Chúng thường được xúc tác bởi enzyme điều hoà dị lập thể (allosteric enzyme) và thường ở phản ứng đầu tiên của liên kết chuyển hóa. Thí dụ, trong quá trình đường phân glucose-6-phossphate có thể chuyển hóa theo đường phân do enzyme phosphofructokinase-1 xúc tác hoặc chuyển hóa theo chu trình pentose phosphate do enzyme glucose-6-phospshate dehydrogenase xúc tác và theo quy luật cả 2 enzyme này đều là enzyme điều hoà. Về tổng thể, hai quá trình có xu thế trái ngược nhau là quá trình dị hóa và đồng hóa lại luôn tồn tại ở trạng thái cân bằng thống nhất và hợp lí. Trong đó rất nhiều phản ứng của cả hai quá trình được xúc tác bởi cùng một enzyme. Tuy nhiên để các hoạt động sống được duy trì ổn định, về nguyên tắc hai quá trình trên phải có định hướng rõ ràng. Do đó trong mỗi quá trình phải có ít nhất một phản ứng giai đoạn được xúc tác bởi hai enzyme khác nhau. Các enzyme này chính là những enzyme điều hoà hướng phản ứng của từng quá trình và phần lớn các phản ứng do chúng xúc tác là phản ứng toả nhiệt chỉ xảy ra 1 chiều và chúng đều là các phản ứng bị giới hạn bởi enzyme chứ không phải cơ chất. 7. Một số bệnh do rối loạn trao đổi đường 7.1. Bệnh cao đường huyết (Hyper glycemia): Khi mức glucose của máu vượt quá mức tối đa thì cơ thể gặp trạng thái cao đường huyết. Trạng thái này thường dẫn tới hiện tượng bài tiết đường theo nước tiểu, gọi là chứng đường niệu (glucoguria). Hàm lượng đường huyết cao có 2 nguyên nhân: Do thức ăn: Thức ăn có nhiều đường, hiện tượng này không nguy hiểm. Ở đa số động vật và người khi hàm lượng đường trong máu tới 160mg% thì khả năng hấp thu đường của gan bị hết, tế bào thận (ở ống lượn xa) cũng không đủ sức để thẩm thấu trở lại glucose (đã đạt tới mol độ thẩm thấu), do đó nước tiểu xuất hiện đường. Hiện tượng đường niệu thực phẩm thường chóng qua khỏi. Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 206 http://www.ebook.edu.vn
Do bệnh đường niệu (Dia betes mellitus): Đây là hội chứng phức tạp của trao đổi đường. Nguyên nhân trực tiếp là do thiếu Insuline. Trong cơ thể động vật giữa các hormone có sự cân bằng tác động với nhau, khi thiếu hormone này thì hormone đối kháng sẽ tác động một mình, do đó làm mất cân bằng trao đổi chất. Khi thiếu Insuline làm hàm lượng đường trong máu có thể đạt tới 300-500mg% và trong một lít nước tiểu có thể có từ 8-10g đường. Khi thiếu Insuline sẽ làm giảm độ thẩm thấu glucose của tế bào, làm yếu hoạt tính của enzyme hexokinase, do đó làm cho sự tiêu thụ glucose của tế bào bị hạn chế (trừ hồng cầu và tế bào thần kinh là không chịu ảnh hưởng của Insuline). Như vậy trong máu thừa đường mà tế bào lại thiếu năng lượng, tế bào phải dùng lipid làm nguyên liệu, lipid dùng nhiều gây nên thể ceton huyết, ceton niệu, điều này càng làm cho sự chuyển hoá bị rối loạn. Mặt khác thiếu Insuline làm cho quá trình chuyển hoá acid amin. thành glucose càng đẩy mạnh và cơ thể bị gầy mòn nhanh chóng. Bệnh thiếu Insuline thường là chức năng của tuyến tuỵ bị hư như bị viêm... 7.2. Bệnh thấp đường huyết (Hypo glycemia) Bệnh thấp đường huyết là trường hợp lượng đường trong máu nằm dưới mức tối thiểu. Hiện tượng này thường gặp trong trường hợp thiểu năng tuyến thượng thận, gây thiếu Adrenalin hoặc ở một số động vật chửa kì cuối, lợn sơ sinh. 7.3. Rối loạn trao đổi đường do thiếu vitamin Trao đổi glucid là một quá trình phức tạp, có rất nhiều enzyme tham gia, đặc biệt là các enzyme khử carboxyl đối với các cetoacid như pyruvic, α-cetoglutamic... các phản ứng này đều cần enzyme có nhóm ghép là TPP là dẫn xuất của VTM B1, do vậy khi thiếu VTM B1 các phản ứng trên sẽ không thực hiện được, acid pyruvic không được khử bị ứ đọng lại nó phân ly ảnh hưởng tới pH của tế bào dẫn đến hiện tượng tích nước gây nên phù (bệnh Beriberi). Acetyl CoA không được hình thành gây thiếu Acetylcolin là chất dẫn truyền xung động ở xinap thần kinh gây nên viêm thần kinh, đau đầu... CHƯƠNG VI: GLUCID VÀ TRAO ĐỔI GLUCID Khái niệm và vai trò của glucid. Sự tiêu hoá và hấp thu tinh bột. Tiêu hoá chất sơ ở loài nhai lại. Sự tổng hợp, phân giải glycogen. Sự chuyển hoá trung gian của glucose. Sự oxy hoá glucose trong điều kiện có đủ oxy. Sự điều hoà trao đổi glucid. Một số bệnh do rối loạn trong trao đổi glucid. Câu 1: Quá trình tổng hợp Glycogen? Những hormon điều khiển quá trình này? Câu 2: Quá trình phân giải Glycogen? Những hormon điều khiển quá trình này? Câu 3: Quá trình đường phân ở mô bào động vật? ý nghĩa của quá trình này? Sự giống và khác nhau giữa quá trình đường phân và quá trình lên men. Câu 4: Vòng Cori và ý nghĩa của nó? Câu 5: Sự chuyển hoá của glucose trong điều kiện có đủ ôxy? Quá trình chuyển hoá từ axit pyruvic thành acetylCoA Câu 6: Vòng Krebs và vai trò sinh học của nó trong trao đổi vật chất? Câu 7: Một số bệnh do rối loạn trao đổi đường? Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 207 http://www.ebook.edu.vn
CHƯƠNG VII LIPID VÀ SỰ CHUYỂN HOÁ LIPID 1. Đại cương về lipid 1.1. Khái niệm về lipid Lipid là những hợp chất hữu cơ phổ biến trong tự nhiên cũng như trong cơ thể động vật, thực vật và vi sinh vật. Lipid có đặc tính không hoà tan trong nước, chỉ hoà tan trong các dung môi hữu cơ như cồn, ete, cloroform, benzen, aceton v.v.. Không phải mọi lipid đều hoà tan như nhau trong tất cả các dung môi nói trên mà mỗi lipid hoà tan trong dung môi tương ứng của mình, nhờ đặc tính này người ta có thể phân tích riêng từng loại. Tên gọi lipid bắt nguồn từ chữ Hy lạp lipos là mỡ dùng để chỉ chung các loại lipid, dầu và các chất béo giống mỡ ở động vật và dầu ở thực vật. Về mặt hoá học lipid là những este giữa rượu và acid béo, điển hình là chất Triacylglycerol. CH2- O – CO – R1 ⏐ CH- O – CO – R2 ⏐ CH2- O – CO – R3 Tuỳ theo thành phần các acid béo và rượu khác nhau mà có các lipid khác nhau, ở thực vật và vi sinh vật sự phong phú về các acid béo thường cao hơn ở động vật có vú Một số acid béo thường gặp: Tên gọi Công thức Nơi có nhiều Lipid sữa (bơ) acid butyric CH3(CH2)2COOH Bơ, dừa acid caproic CH3(CH2)4COOH Bơ, dừa, não cá acid caprylic CH3(CH2)6COOH Dừa, não cá voi acid capric CH3(CH2)8COOH Dầu thực vật acid lauric CH3(CH2)10COOH Lipid động vật, dầu thực vật acid myristic CH3(CH2)12COOH acid palmidic CH3(CH2)14COOH -nt- acid stecaric CH3(CH2)16COOH -nt- Dầu lạc acid arachidic CH3(CH2)18COOH Ngoài rượu và các acid béo ở các lipid phức tạp (lipoid) trong phân tử của chúng còn chứa các dẫn xuất có phospho, nitơ, sulfur v.v. như nhóm phosphateide, xerebrozid. Đây là hai nhóm lipid có vai trò quan trọng. Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 208 http://www.ebook.edu.vn
Phosphateide có nhiều trong não, dây thần kinh và các cơ quan như gan, tim, thận và một số vật phẩm như lòng đỏ trứng, sữa. Các đại diện của phosphateide thường ở dạng liên kết với protein trong lipoprotein của vách tế bào và của nội khí quản ở tế bào chất. Xerebrozid là nhóm lipoid không chứa acid phosphoric, có nhiều trong não. Thành phần của nó ngoài rượu, acid béo còn có amin, đường galactose và lưu huỳnh. Ở thực vật khả năng tự tổng hợp các acid béo thường phong phú hơn ở động vật, nhất là một số acid béo giữ vai trò quan trọng như: Acid linoleic (18C có 2 liên kết kép) C18H32O2 CH3 – (CH2)4 – CH = CH – CH2 – CH = CH – (CH2)7 – COOH Acid linolenic (18C có 3 liên kết kép) C18H30O2 CH3 – CH2 – CH = CH – CH2 – CH = CH – CH2 – CH = CH- (CH2) 7 - COOH Acid arachidonic (20C có 4 liên kết kép) C20H32O2 CH3–(CH2)4–CH = CH– CH2– CH=CH– CH2– CH=CH–CH2–CH=CH-(CH2)3– COOH Những loại acid béo này đối với cơ thể động vật gọi là “lipid cần thiết”, và còn được gọi là vitamin F, chúng có tác dụng quan trọng trong quá trình sinh trưởng và phát triển của mô bào, giúp cho quá trình phân bào. 1.2. Vai trò của lipid Lipid đối với cơ thể sinh vật có nhiều ý nghĩa quan trọng, nó có các vai trò sau: Lipid là chất dự trữ năng lượng tiết kiệm thể tích nhất, khi ôxi hoá 1 g lipid cơ thể thu được 9,3 kilo calo. Đem so với lượng calo của 1gam đường hoặc protein (4,1 kilo calo/1g) thì lượng calo sản ra của lipid nhiều gấp đôi. Nhu cầu năng lượng hàng ngày của động vật do lipid cung cấp khoảng 30% đến 40% hoặc hơn nữa tuỳ loài động vật và trạng thái sinh lý của cơ thể. Chức năng quan trọng nhất của lipid là cấu tạo màng sinh học (màng tế bào, màng ti lạp thể v.v.). Trong màng sinh học, lipid ở trạng thái liên kết với protein tạo thành hợp chất lipoprotein. Chính nhờ tính chất của hợp chất này đã tạo cho màng sinh học có được tính thẩm thấu chọn lọc, tính cách điện. Đó là những thuộc tính hết sức quan trọng của màng tế bào, màng các cơ quan tử của nó. Lipid dưới da của động vật có tác dụng gối đệm và giữ ấm cho cơ thể nhờ tính êm, dẫn nhiệt kém. Lipid là dung môi cho nhiều vitamin quan trọng như vitamin A,E,D,K (nhóm vitamin hoà tan trong lipid) vì thế nếu khẩu phần thiếu lipid lâu ngày thì động vật dễ mắc bệnh thiếu các vitamin kể trên. Đối với loài động vật ngủ đông, động vật di cư, các loài sâu kén, lipid còn là nguồn cung cấp nước, vì khi oxy hoá 100g lipid có 107g nước sinh ra. Việc nghiên cứu sự chuyển hoá lipid sẽ cung cấp cho ta những hiểu biết về quá trình vỗ béo gia súc, quá trình cải tạo làm tăng hàm lượng bơ trong sữa, quá trình tích luỹ dầu ở thực vật v.v. Đồng thời những hiểu biết này cũng giải thích được các trạng thái bệnh lý như ceton- huyết, ceton-niệu, gan nhiễm mỡ v.v. ở gia súc. Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 209 http://www.ebook.edu.vn
2. Một số dặc điẻm về tiêu hoá, hấp thu, chuyển vận và dự trữ lipid ở động vật. 2.1. Sự tiêu hoá lipid. Do đặc tính không hoà tan trong nước, mà quá trình tiêu hoá lipid lại có bản chất là quá trình thuỷ phân, enzyme thực hiện quá trình này là enzyme esterase (lipase) nên sự tiêu hoá và hấp thu lipid có một số nét đặc thù riêng. Muốn cho enzyme phân giải được thì lipid phải ở trạng thái “nhũ tương” hoá, tức là ở trạng thái dung dịch “giả”. Ở miệng: không có enzyme phân giải lipid, ở đây lipid chỉ chịu tác dụng cơ học do quá trình nhai, nhào trộn thức ăn. Ở dạ dày: đối với động vật bú mẹ (bê, nghé, lợn con v.v.) trong dịch dạ dày có chứa enzyme lipase, nhưng hoạt lực yếu do ảnh hưởng của pH thấp, tuy nhiên do thức ăn là sữa mẹ, lipid ở dạng nhũ tương nên quá trình phân giải lipid ở đây khá cao. Ở động vật trưởng thành hầu như ở dạ dày không có quá trình thuỷ phân lipid. Ở ruột non: đây là nơi tiêu hoá chính các chất lipid, vì ở đây có đủ các yếu tố để tiến hành quá trình này. Lipid muốn được tiêu hoá phải được nhũ tương hoá, thực chất của quá trình nhũ tương hoá là biến lipid thành dung dịch “giả” (giả hoà tan) để làm tăng diện tích tiếp xúc của lipid với enzyme lipase. Quá trình nhũ tương hoá lipid ở ruột non nhờ một loạt các yếu tố sau: Sự nhu động của ruột cộng với trạng thái xốp của thức ăn do khí CO2 sinh ra trong quá trình trung hoà HCL của dịch vị bởi các bicarbonat của dịch ruột. HCl + NaHCO3-----> NaCl + H2CO3 ----> CO2 + H2O Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 210 http://www.ebook.edu.vn
Các acid mật bao gồm: acid cholic, acid 7 Desoxycholic, acid lidocholic, acid kenodesoxycholic. OH CH3 CH3 CH CH3 CH2 – CH2 – COOH HO OH Acid cholic OH CH3 CH3 CH CH3 CH2 – CH2 – COOH HO Acid 7 desoxycholic CH3 CH3 CH CH3 CH2 – CH2 – COOH HO Acid litocholic CH3 CH3 CH CH3 CH2 – CH2 – COOH HO OH Acid kenodesoxycholic Các acid mật được hình thành từ cholesterol, quá trình này diễn ra ở tế bào gan, sau đó được tiết ra ở ống mật rồi đổ vào túi mật. Trước khi đổ vào ruột non, nó được liên kết với glycine và taurin tạo thành acid glycocholic và acid taurocholic. Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 211 http://www.ebook.edu.vn
Các hợp chất này có tính phân cực và hoạt tính bề mặt, do đó dưới tác dụng nhu động của ruột, lipid bị vỡ thành các hạt nhỏ, các hạt lipid nhỏ này được phủ bởi lớp acid mật và lớp vỏ thuỷ hoá nên không thể kết hợp với nhau được nữa. Quá trình này được tiếp tục, lipid bị vỡ thành các hạt nhỏ li ti, đó là dạng nhũ tương, tạo điều kiện cho enzyme lipase hoạt động. Ngoài tác dụng nhũ tương hoá lipid, acid mật còn có vai trò hoạt hoá enzyme lipase và cần cho quá trình hấp thu acid béo và lipid qua màng tế bào ruột. Enzyme lipase ở tá tràng có hai nguồn gốc: lipase do tuyến tuỵ tiết ra là chủ yếu và lipase do niêm mạc ruột non tiết ra. Lipase khi mới tiết ra còn ở dạng zymogen, sau khi gặp acid mật mới chuyển sang trạng thái hoạt hoá. Dưới tác dụng của lipase, lipid được phân giải thành glycerine và các acid béo theo phản ứng sau: CH2- O – CO – R1 + 3H2O CH2 – OH R1 – COOH ⏐ ⏐ ----------> CH2- O – CO – R2 Lipase CH – OH + R2 – COOH ⏐ ⏐ CH2- O – CO – R3 CH2 – OH R3 – COOH Lipid Glycerine Các acid béo Quá trình phân giải lipid với mức độ khác nhau, nên các sản phẩm tạo ra có thể là diglyxeride, monoglyceride, các acid béo và glycerine. Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 212 http://www.ebook.edu.vn
CH2-O–CO–R1 CH2- OH CH2-OH CH2- OH ⏐ ⏐ ⏐ ⏐ CH - O - CO - R2 → CH2-O–CO–R2 → CH2-O–CO–R2+→ CH- OH ⏐ ⏐ ⏐ ⏐ CH2-O–CO–R3 CH2- OH CH2-O–CO–R3 CH2-OH Diglyxeride Glycerine Triglyxeride Monoglyxeride ThËm chÝ cßn cã c¶ nh÷ng h¹t lipid nhá 1/100μ. TÊt c¶ nh÷ng s¶n phÈm nµy ®Òu ®−îc hÊp thu qua v¸ch ruét. 2.2. Sù hÊp thu, dù tr÷ vµ vËn chuyÓn lipid §èi víi glycerine v× tÝnh hoµ tan trong n−íc nªn dÔ dµng ®−îc hÊp thu vµo tÕ bµo niªm m¹c ruét. Đối với các acid béo không hoà tan trong nước, nên muốn được hấp thu nó phải được liên kết với acid mật tạo thành phức chất gọi là “ acid choleic” hoà tan và được hấp thu qua tế bào vách ruột hoặc thụ động hoặc theo nguyên tắc ẩm bào. Sự hấp thu theo nguyên tắc ẩm bào là chủ yếu. Sau khi vào tế bào vách ruột, acid mật tách khỏi acid béo. Acid mật đi vào hệ tĩnh mạch trở về gan. Ở tế bào vách ruột, acid béo có thể kết hợp với glycerine tái tạo thành lipid. 70- 80% lipid tái tạo này đi vào ống lâm ba dưới dạng những hạt to nhỏ khác nhau có tên là “Chylomicron”, nó có một lớp vỏ protein, trong là các acid béo, triglycerid, cholesterol… Đây là dạng hoà tan trong nước nên dễ vận chuyển ở dịch lâm ba và máu. Những sản phẩm trên đi qua tế bào vách ruột để vào ống lâm ba, cũng theo hình thức ẩm bào. Một phần rất nhỏ (10-15%) acid béo phân tử nhỏ và lipid đi vào tĩnh mạch. Từ ống lâm ba cụt các sản phẩm trên đi theo đường lâm ba lên lâm ba ngực. Từ đó đổ vào hệ tuần hoàn (hệ tĩnh mạch) về gan và từ gan đi tới các mô mỡ. Sau đó tuỳ theo nhu cầu về năng lượng, lipid lại được đưa tới các cơ quan cần oxy hoá hoặc được tích luỹ lại thành mỡ dự trữ. Bằng phương pháp nguyên tử đánh dấu, người ta thấy rằng bất cứ loại lipid nào trước khi đem sử dụng vào các nhu cầu của cơ thể đều trải qua giai đoạn tích luỹ khoảng 3-5 ngày. Qua đó ta thấy mô mỡ không phải là loại mô tĩnh tại mà ngược lại nó luôn thay đổi. Từ mô mỡ, acid béo và glycerine được giải phóng nhờ enzyme lipase đặc thù của mô. Đáng chú ý là loại enzyme lipase này chịu ảnh hưởng tác động điều tiết của nhiều loại hormone. Các acid béo và glycerine từ mô mỡ được đưa vào máu, vận chuyển dưới dạng liên kết với albumin và một phần với β-globuline tới các mô bào cần sử dụng (dạng phức hợp có tỷ trọng cao và tỷ trọng thấp ( HDLP và LDLP). Cơ quan sử dụng acid béo nhiều nhất là gan và một phần là cơ tim. 2.3. Vai trò của gan động vật trong chuyển hoá lipid: Trong quá trình chuyển hoá lipid gan của động vật giữ một vai trò hết sức quan trọng. Gan là cơ quan sản sinh ra các acid mật, là yếu tố nhũ tương hoá mỡ và hoạt hoá lipase. Vì vậy, khi quá trình tiết mật kém, sự tiêu hoá và hấp thu lipid sẽ bị đình trệ. Lipid không được Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 213 http://www.ebook.edu.vn
tiêu hoá sẽ theo phân ra ngoài. Acid mật còn giữ vai trò trong quá trình hấp thu acid béo, nên thiếu acid mật sẽ ảnh hưởng tới quá trình này. Ngoài việc sản sinh ra các acid mật giúp cho quá trình tiêu hoá và hấp thu lipid, gan còn là cơ quan chuyển hoá lipid chủ yếu của cơ thể động vật. Hầu hết các mô bào của cơ thể động vật đều có khả năng dùng lipid vào nhu cầu năng lượng, nhưng chủ yếu dưới dạng các sản phẩm của lipid đã được chế biến ở gan. 3. Sự phân giải triglyceride Trong điều kiện trao đổi chất bình thường, cơ thể động vật sử dụng 30-40% năng lượng cung cấp từ lipid còn 60-70% do glucose. Tuy nhiên, do dự trữ glucid ở mô không lớn, nên trong những trường hợp như khi đói, khi lao động căng thẳng hoặc một vài trạng thái sinh lý đặc thù như ở động vật ngủ đông, chim cá di cư theo mùa v.v. thì chủ yếu dùng năng lượng từ lipid. Thương số hô hấp cho phân hoá lipid tương đối thấp, vì quá trình này đòi hỏi nhiều oxy. RQ = CO2 : O2 = 0,71 Hệ thống enzyme chuyển hoá lipid ở gan của động vật khá cao. Hàng ngày có một lượng lipid nhất định được chuyển từ các mô dự trữ đưa về gan và được xơ chế ở gan trước khi đưa đi các mô bào khác sử dụng. Đặc biệt khi cơ thể thiếu glucid (có thể do dinh dưỡng, do trạng thái sinh lý hoặc bệnh lý v.v.) thì lượng lipid ở gan tăng lên rõ rệt. Nếu tế bào gan không oxy hoá tốt do các nguyên nhân bệnh lý, lipid sẽ ứ đọng ở gan gây tình trạng gan nhiễm mỡ. Từ mô mỡ, acid béo và glycerine được giải phóng nhờ tác dụng của enzyme lipase đặc thù của mô. Glycerine được đưa tới các mô bào sử dụng ngay, còn các acid béo được đưa về gan để xơ chế trước khi đi tới các mô để sử dụng. Quá trình phân giải đó như sau: 3.1. Sự chuyển hoá trung gian của glycerol Glycerine là sản phẩm rất dễ chuyển hoá trong cơ thể, nó chuyển thành glycerine aldehydeyd theo xơ đồ phản ứng sau: Glycerine Glycerophosphate Phosphoglycerine aldehyt Phospho - glycerine aldehyt đi vào con đường đường phân. 3.2. Sự chuyển hoá của acid béo Ở gan, hệ thống enzyme oxy hoá acid béo hoạt động rất mạnh. Một acid béo muốn được oxi hoá phải trải qua một số bước sau: 3.2.1. Hoạt hoá acid béo: Acid béo vào tế bào gan, ở tế bào chất nó được hoạt hoá bởi hệ thống enzyme Acyl-CoA-Syntetase hoạt hoá gồm 2 bước: Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 214 http://www.ebook.edu.vn
AMP được giải phóng từ phản ứng (2) sẽ được phosphoryl hoá trở lại thành ADP dưới tác dụng của Adenylate Kinase: ATP 2ADP AMP + Vậy thực chất quá trình hoạt hoá một phân tử acid béo tự do đã sử dụng 2ATP. Phản ứng tổng quát có thể viết: AcylCoA sylthetase 2ATP + CoASH 2ADP + PP COOH + R AcylCoA + Enzyme AcylCoA synthetase còn gọi là thiokinase có nhiều ở màng ngoài ty thể và hệ thống lưới nội bào. Có nhiều loại acylCoA synthetase đặc hiệu với các acid béo liên kết ngắn, trung bình và dài. Quá trình này được thực hiện ở ngoài bào tương. 3.2.2. Vận chuyển acid béo vào trong ty thể. Các acid béo liên kết ngắn (4-10C) qua màng ty thể dễ dàng. Nhưng các acid béo liên kết dài (từ 12 C trở lên) được vận chuyển qua màng ty thể nhờ hệ thống Carnitin do enzyme Carnitin acyl transferase (CAT) thực hiện. Carnitin là một amin bậc bốn mang một chức alcol bậc 2, có nhiều trong cơ và gan. Carnitin có thể ester hoá với acid béo nhờ sự xúc tác của Carnitin acyl transferase I có trong màng ngoài ty thể tạo thành Acyl carnitin và giải phóng CoASH. Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 215 http://www.ebook.edu.vn
Bước tiếp theo, gốc acyl trong Acyl carnitin được chuyể đến CoenzymeA có ở bên trong chất nền của ty thể, ở đây dưới tác dụng của enzyme Carnitin acyl transferase II tạo trở lại acylCoA và giải phóng Carnitin ( Hình 7.1) Acyl Carnitin + CoASH --------------------> Acyl CoA + Carnitin Carnitin có thể coi là chất vận chuyển acyl qua màng ty lạp thể vào trong chất nền là nơi sẽ diễn ra quá trình oxy hoá acid béo. Hình 7.1. Sự vận chuyển Acid béo qua màng ty thể. 3.2.3. Tái tạo acyl CoA: Quá trình này đi ngược lại bước 2 và Carnitin được giải phóng trở lại mặt ngoài của ty thể (hình 7.1). 3.2.4. Quá trình β - oxy hoá acid béo: Quá trình được Knoop người Đức (1904) đề ra trong khi nghiên cứu về lipid, ông chú ý đến số carbon chẵn của các acid béo, ông cho rằng muốn giữ được trạng thái "chẵn" đó thì Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 216 http://www.ebook.edu.vn
phân tử acid béo chỉ có thể thêm hoặc bớt bởi các sặp 2C mà thôi. Kiểm chứng bằng cách cho chó thí nghiệm ăn các acid béo chứa số carbon chẵn và lẻ được đánh dấu bằng nhóm phenyl. Trong quá trình chuyển hoá, nhóm phenyl không bị phá huỷ có thể tìm lại trong nước tiểu. Bằng cách đó, ông đã chứng minh được giả thiết của mình. Ngày nay bằng phương pháp nguyên tử đánh dấu người ta đã kiểm chứng được dễ dàng giả thiết của Knoop. Ngoài quá trình β - oxy hoá, người ta còn thấy một số quá trình oxy hoá acid béo khác như quá trình α - oxy hoá v.v.. Nhưng những quá trình này không giữ vai trò chủ yếu. Các bước của quá trình β - oxy hoá acid béo như sau: a) Oxy hoá lần1: do enzyme acyl dehydrogenase có nhóm ghép là FAD+ lấy đi một cặp H tạo thành liên kết đôi trong enoyl-CoA: Cặp hydro từ FADH2 sẽ được chuyển vào chuỗi hô hấp tạo ra 2 ATP b) Hợp nước: do enzyme hydratase, một phân tử nước được ghép vào vị trí Cβ O OH O || ⏐ || +H2O R –CH2- CH = CH – C ∼ SCoA -------------> R- CH2 - C - CH2 – C ∼ SCoA β α ⏐ Hydratase H β - Oxi Acyl CoA Enoyl - CoA c) Oxy hoá lần 2: Do enzyme acyl dehydrogenase có nhóm ghép NAD+ oxy hoá ở vị trí Cβ tạo thành liên kết ceto acyl CoA NADH2 chuyển điện tử vào chuỗi hô hấp cho ra 3 ATP. d) Tạo acetyl-CoA: Do enzyme thiolase gắn CoASH vào Cβ tạo thành một acyl CoA mới ngắn đi 2C, và một acetyl-CoA Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 217 http://www.ebook.edu.vn
O O O O || || || || + CoASH R –CH2 - C - CH2 – C ∼ SCoA -------> R-CH2 - C∼ SCoA + CH3 - C∼ SCoA thiolase β ceto acyl CoA Acyl CoA míi (ng¾n ®i 2 C) Acetyl CoA Quá trình lại lặp lại, acid béo bị cắt dần thành các acetyl CoA. Một chu trình quay đó, tế bào thu được 2 cặp H+: 1 cặp cho FAD+, 1 cặp cho NAD+ và một phân tử acetyl CoA. Acetyl CoA đi vào chu trình Krebs để oxy hoá cho ra năng lượng. Sơ đồ chu trình β - oxy hoá acid béo như sau: ( Hình 7.2a,b) Hình 7.2 a. Sơ đồ quá trình β oxy hoá acid béo Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 218 http://www.ebook.edu.vn