Bài giảng Nguyên lý hoá sinh: Bài 5

David L. Nelson and Michael M. Cox

LEHNINGER PRINCIPLES OF BIOCHEMISTRY Sixth Edition

BÀI.5 CARBOHYDRAT

© 2016 PGS.TS. BÙI VĂN LỆ

7.1 Monosaccharide và disaccharide (Đường đơn và đường đôi)

• Đường còn gọi là saccharide là những chất chứa nhóm aldehyde hoặc ketone và hai hoặc nhiều nhóm hydroxyl.

• Đường đơn thường chứa carbon chiral và vì thế tồn tại các dạng đồng phân khác nhau mà các đồng phân này có thể miêu tả trên giấy ở dạng phép chiếu Fischer. Epimer là những đường chỉ khác nhau 1 nguyên tử trong cấu hình.

Hai nhóm monosaccharides là aldoses và ketoses

Representative monosaccharides

Most of the hexoses of living organisms are D isomers

Epimers (Hai phân tử đường chỉ khác nhau ở cấu hình xung quanh nhân carbon) Mannose and Galactose are epimers of Glucose

• Đường đơn thường hình thành các hemiacetal hoặc hemiketal mà trong đó nhóm aldehyde hoặc ketone liên kết với nhóm hydroxyl tạo thành cấu trúc vòng; cấu trúc này được thể hiện ở dạng Haworth. Nguyên tử carbon được tìm thấy trong nhóm aldehyde hoặc ketone (nhóm anomeric) có thể có hai cấu hình, α và β, và hai dạng này có thể biến đổi qua lại bởi sự mutarotation. Ở dạng tuyến tính, carbon anomeric dễ bị oxide hóa.

Sự hình thành hemiacetals và hemiketals

Sự hình thành hai dạng vòng của D-glucose

Các dạng đồng phân của các monosccharide chỉ phân biệt ở cấu hình nguyên tử carbon hemiacetal hay hemiketal được gọi là anomers.

Anomer avà bcủa D-glucose chuyển hóa qua lại trong dung dich bởi một quá trình gọi là mutarotation.

Pyranoses và furanoses

Công thức cấu tạo của pyranoses

Một vài dẫn xuất hexose quan trọng trong sinh học

Glucose và những đường khác có khả năng khử Cu2+ được gọi là đường khử

Đường là chất khử

• Nhóm hydroxyl của một đường đơn có thể thêm vào carbon anomeric của đường đơn thứ hai để tạo thành một acetal. Trong đường đôi này, nối glycoside bảo vệ carbon anomeric khỏi sự oxide hóa. • Danh pháp thông thường của di - hoặc oligosaccharide chỉ rõ thứ tự của các đơn vị đường đơn, cấu hình tại mỗi carbon anomeric và nguyên tử carbon liên quan đến liên kết glycoside.

anomeric carbon

Disaccharides chứa liên kết glycosidic

Liên kết glycosidic bảo vệ carbon anomeric khỏi sự oxy hóa.

Glu(a1→4)Glu

Sự hình thành maltose

Đường khử

Đường không khử

Các đường không khử được gọi là glycosides.

Glc(a1→2b)Fru

Cấu hình của carbon anomeric

Các carbon tham gia vào liên kết glycosidic

Một vài disaccharides phổ biến

7.2 Polysaccharide (Đường đa)

• Polysaccharide (còn gọi là glycan) là dạng dự trữ năng lượng và là thành phần cấu trúc của thành tế bào và matrix ngoại bào.

• Tinh bột homopolysaccharide và glycogen được tích trữ ở tế bào thực vật, động vật và vi khuẩn. Chúng bao gồm D-glucose với liên kết (α1-4) và cả hai chứa vài nhánh.

Hầu hết carbohydrates tìm thấy trong tự nhiên xuất hiện dưới dạng polysaccharide.

Polysaccharides (also called Glycans)

Một vài homopolysaccharides là một dạng dự trữ năng lượng

Các homopolysaccharides khác (VD: cellulose và chitin) là thành phần cấu trúc trong vách tế bào thực vật và bộ xương ngoài của động vật

Quan sát băng kính hiển vi điện tử các hạt tinh bột và glycogen

Amylose và amylopectin, các polysaccharides của tinh bột

Xảy ra mỗi 24 đến 30 gốc

Các mạch của amylopectin hình thành cấu trúc xoắn đôi Với nhau hoặc với các mạch amylose

Starch Structure

Amylopectin and Glycogen

• Cellulose

chitin

và homopolysaccharide, dextran có vai trò cấu trúc. Cellulose, bao gồm các thành phần D-glucose được liên kết bằng nối (β1-4) góp phần làm cho vách tế bào cứng và vững chắc. Chitin là polymer của N- acetylglucosamine nối với nhau bằng liên kết (β1-4) làm vững chắc bộ vỏ bên ngoài của các loài chân đốt. Dextran tạo thành lớp vỏ dính bao quanh một số vi khuẩn

Một số homopolysaccharides đóng vai trò cấu trúc

Sự phân giải cellulose của nấm gỗ

Hầu hết động vật không thể sử dụng cellulose làm năng lượng vì thiếu enzyme ly giải liên kết b1→4.

Cấu trúc của cellulose (homopolysaccharide thẳng, không phân nhánh)

- Con người tiêu hóa tinh bột và glycogen của họ trong chế độ ăn uống sử dụng α-amylase, enzyme thủy phân liên kết (α 14) glycosidic. - Con người không thể thủy phân (β14) liên kết của cellulose. Vì vậy cellulose không phải là một nguồn nhiên liệu cho con người. Nó là chất xơ. - Một số vi sinh vật có cellulase, enzyme thủy phân (β14) liên kết của cellulose. - Gia súc có những sinh vật có cellulase trong dạ cỏ. - Mối có enzyme cellulase nầy trong đường ruột của chúng.

• Homopolysaccharide gấp theo không gian ba chiều. Dạng ghế của vòng pyranose cần cho sự vững chắc do đó cấu hình của các polymer được xác định bằng cách luân phiên các nối từ vòng đến nguyên tử oxy trong liên kết glycoside. Tinh bột và glycogen tạo thành các cấu trúc xoắn với liên kết hydro bên trong chuỗi, cellulose và chitin tạo chuỗi dài và thẳng và các chuỗi này có thể tương tác với các chuỗi kế lân cận.

Chitin in Nature (The 2nd abundant organic source on earth)

Exoskeletons of arthropods

Shells of mollusks

Spines of diatoms

Cell walls of fungi, mold, yeast

Other invertebrate animals

Chitin là thành phần chính của vỏ côn trùng, tôm và cua

Linear homopolysaccharide of N-acetylglucosamine in β(14) linkage

June beetle (bộ xương ngoài bằng chitin)

The Hierarchical Structure of Cuticles

American lobster claw

Bouligand structure

bundles

proteins

chitin molecules

α-chitin chains

nanofibrils

fibrils

Rabbe D. et al. The crustacean exoskeleton as an example of a structurally and mechanically graded biological nanocomposite material Acta Materialia 53 (2005) 4281

Thành tế bào của vi khuẩn và tảo được củng cố bởi các heteropolysaccharide-peptidoglycan ở vi khuẩn, agar trong trong peptidoglycan là tảo đỏ. Các đường đơn lặp lại GlcNAc(β1-4)Mur2Ac; trong đường đó là D-Gal(β1-4)3-6- anhydro-L-Gal.

Cáu trúc chính xác tùy thuộc vào loài vi khuẩn

Lysozyme tiêu diệt vi khuẩn bằng cách thủy giải liên kết b1→4.

Peptidoglycan (các chuỗi xen kẽ giữa GlcNac-Mur2Ac dạng liên kết b1→4, liên kết chéo với nhau nhờ các đoạn peptide ngắn)

Agarose là một heteropolysaccharide tìm thấy trong vách tế bào của một vài loại tảo biển

Glycosaminoglycan là các heteropolysaccharide trong trong hai đơn vị đó một đường đơn là acid uronic (keratin sulfate là một ngoại lệ) và cái còn lại là đường N- amino. acetyl Những (hyaluronan, này polymer chondroitin sulfate, dermatan sulfate và keratin sulfate) cung cấp tính nhớt, tính bám dính và tính vững bền cho bào. chất

ngoại

nền

đường

dạng

liên

:

kết 7.3 Các Proteoglycan, Glycoprotein, glycolipid

(heparan sulfate,

• Proteoglycan là các chất liên kết với đường trong đó một hoặc nhiều (glycoconjugate) glycan lớn gọi là glycosaminoglycan bị sulfate chondroitin sulfate, hóa dermatan sulfate hoặc keratan sulfate) được gắn đồng hóa trị vào tâm protein. Việc gắn bên bởi peptide ngoài màng nguyên sinh chất xuyên màng hoặc lipid gắn đồng hóa trị proteoglycan cung cấp các điểm kết nối, nhận biết và truyền thông tin giữa các tế bào hoặc giữa tế bào và matrix ngoại bào.

Proteoglycans là các đại phân tử chứa glycosaminoglycan của bề mặt tế bào và chất nền ngoại bào

Cấu trúc của proteoglycan

Carbohydrates trong tế bào

Hai họ proteoglycans màng

Các tế bào động vật hữu nhũ có ít nhất 30 kiểu proteoglycans.

Đơn vị cơ bản: một protein lõi với các glycosaminoglycan(s) gắn cộng hóa trị.

Heparan sulfate gắn với nhiều ligand ngoại bào khác nhau và do đó, điều hòa tương tác giữa ligand và các receptor chuyên biệt trên bề mặt tế bào

Một vài proteoglycans có thể tạo thành các tập hợp proteoglycan

Aggrecan tương tác mạnh với collagen trong chất nền ngoại bào của sụn, tham gia vào sự phát triển và lực căng của mô liên kết này

Tập hợp proteoglycan của chất nền ngoại bào

Bốn kiểu tương tác protein với các domain NS của heparan sulfate

Tương tác giữa các tế bào và chất nền ngoại bào

Cross-linked meshwork that gives the whole extracellular matrix strength and resilience

• Glycoprotein chứa oligosaccharide liên kết đồng hóa trị với Asp hoặc Ser/Thr. Các glycan phân nhánh và nhỏ hơn glycosaminoglycan. Các protein ngoại bào hoặc bề mặt tế bào là các ra nhiều nhất. Các glycoprotein được tiết oligosaccharide gắn đồng hóa trị ảnh hưởng việc gấp nếp và tính ổn định của protein, cung cấp thông tin thiết yếu về mục tiêu của các protein được tổng hợp mới và cho phép nhận biết đặc hiệu bởi các protein khác

Glycoproteins có các oligosaccharides gắn cộng hóa trị

Các liên kết với oligosaccharide trong glycoproteins

• Glycomic là sự xác định phần bổ sung đầy đủ của các phân tử chứa đường trong tế bào hoặc mô, và xác định chức năng của mỗi phân tử đó.

• Glycolipid trog thực vật và động vật và các lipopolysaccharide ở vi khuẩn là thành phần của màng tế bào với chuỗi oligosaccharide gắn đồng hóa trị biểu hiện trên mặt ngoài của tế bào.

Lipopolysaccharides của vi khuẩn

Nhân tố chính xác định kiểu huyết thanh (phản ứng miễn dịch) của vi khuẩn

Lipopolysaccharide của màng ngoài Salmonella typhimurium

7.4 Carbohydrate là các phân tử thông tin : Mã đường

• Đường đơn có thể hợp lại với nhau thành các dạng oligosaccharide khác nhau, khác về đồng phân và vị trí nối glycoside, loại và hướng của các nhóm thành phần. Glycan thì nhiều thông tin hơn protein hoặc acid nucleic.

• Lectin, protein với các vùng liên kết của carbohydrate có tính đặc hiệu cao thường tìm thấy mặt ngoài tế bào ở đó chúng bắt đầu tương tác với các tế bào khác. Ở động vật có xương sống, oligosaccharide gắn phần đọc lectin kiểm soát tốc độ phân giải một số hormone peptide, các protein và các tế bào máu tuần hoàn.

Vài trò của tương tác lectin-ligand trong sự di chuyển của tế bào lymphocyte đến vị trí nhiễm trùng và vết thương

An ulcer in the making

Các tế bào Helicobacter pylori gắn lên bề mặt dạ dày

Vi khuẩn này gây nên các chỗ loét các tương tác bới lectin trên bề mặt vi khuẩn với Leb oligosaccharide của biểu mô dạ dày.

Chi tiết của một tương tác lectin-carbohydrate

Tương tác lectin-carbohydrate có tính chuyên biệt cao và thường là tương tác nhiều hóa trị (polyvalent)

• Các tác nhân gây bệnh virus, vi khuẩn và các ký sinh eukaryote bám chặt vào các tế bào động vật chủ bằng cách gắn lectin của tác nhân gây bệnh vào oligosaccharide trên bề mặt tế bào chủ.

• Lectin nội bào làm trung gian cho protein nội bào nhắm đến các bào quan đặc hiệu hoặc tới con đường bài tiết

Vai trò của oligosaccharides trong sự nhận biết và gắn dính ở bề mặt tế bào

• Tinh thể hóa bằng tia X các phức hợp lectin-đường cho thấy sự bổ sung chi tiết giữa hai phân tử nhằm tăng tính vững chắc và tính đặc hiệu của tương tác lectin với carbohydrate

Trương tác kỵ nước ở các gốc đường

Galactose

7.5 Thao tác với carbohydrate

• Việc

của thành lập cấu trúc hoàn thiện oligosaccharide và polysaccharide cần xác định trình tự thẳng, vị trí phân nhánh, cấu hình của mỗi đơn vị đường đơn và các vị trí liên kết glycoside – vấn đề phức tạp hơn phân tích protein và acid nucleotide

• Các cấu trúc oligosaccharide và polysaccharide thường được xác định bằng việc kết hợp nhiều phương pháp: thủy phân đặc hiệu enzyme để xác định đồng phân tại nối glycoside và tạo ra các phân đoạn nhỏ hơn để phân tích sâu hơn; methyl hóa để định vị nối glycoside; và phân giải từng bước để xác định trình tự và cấu hình của carbon anomer.