Bài giảng Nguyên lý hoá sinh: Bài 11

David L. Nelson and Michael M. Cox

LEHNINGER PRINCIPLES OF BIOCHEMISTRY Sixth Edition

BÀI.11 SỰ CHUYỂN HÓA NITROGEN

© 2016 PGS.TS. BÙI VĂN LỆ

không

Số phận của các nhóm amino sau biến dưỡng Con người thu nhận những phần nhỏ năng lượng oxid hóa từ quá trình dị hóa các acid amin. Các acid amin được thu nhận từ quá tạo) các trình phân giải bình thường (tái protein của tế bào, sự phân hủy các protein bị tiêu hóa, và sự phân giải các protein của cơ thể thay thế cho các nguồn nhiên liệu khác trong quá trình nhịn ăn hoặc ở bệnh tiểu (uncontrolled kiểm soát đường diabete mellitus).

Digestion by proteases

Excretion as Urea

Conversion to: pyruvate acetyl-CoA citric acid cycle intermediates

NH4

Cytosol (Transamination)

mitochondria

NH4

Transamination (Sự chuyển nhóm amin ) Enzymes Transaminase (aminotransferases) xúc tác sự chuyển thuận nghịch nhóm amino giữa hai -keto acids.

H R1 C COO- + R2 C COO-

+ O

NH3

Transaminase

H R1 C COO- + R2 C COO-

O NH3

Sự phân hủy protein trong thức ăn

Các protease phân hủy các protein bị tiêu hóa trong bao tử và ruột non. Hầu hết các protease được tổng hợp đầu tiên ở dạng zymogen bất hoạt

Digestion of dietary protein

Protein in stomach stimulates production of hormone gastrin. Gastrin stimulates secretion of HCl and the protease pepsin. Pepsin hydrolyzes proteins on amino side of Phe, Trp, Tyr.

In small intestine acidic contents stimulate secretion of

the hormone secretin.

Secretin stimulates bicarbonate secretion, bringing pH up to 7. Amino acids stimulate release of hormone cholecystokinin. Cholecystokinin stimulates secretion of the proteases:

trypsin - hydrolyzes proteins on carboxyl side of Lys, Arg chymotrypsin - carboxyl side of Phe, Trp, Tyr carboxypeptidase A – removes carboxy-terminal amino acids aminopeptidase – removes amino terminal amino acids

nhóm

amin

cần

• Bước đầu tiên của quá trình dị hóa acid amin là sự phân tách các nhóm amino ra khỏi sườn carbon. Trong hầu hết các trường hợp, nhóm amino được chuyển đến -ketoglutarate để tạo thành glutamate. Phản ứng này chuyển coenzyme (transamination) pyridoxal phosphate (PLP).

Aminotransferases catalyze transfer of amino groups of amino acids to -ketoglutarate

Pyridoxal phosphate (PLP) functions as an amino group carrier in aminotransferases

Các phản ứng này được xúc tác bởi các enzyme được biết đến như là aminotransferases, VD: glutamate- aspartate aminotransferase

ở dạng ion

• Glutamate được chuyển đến ty thể của gan nơi mà glutamate dehydrogenase phóng thích nhóm ammonium (NH4+). amino Ammonium được tạo thành trong các mô khác sẽ được đưa đến gan ở dạng amide nitrogen của glutamine hoặc trong sự vận chuyển từ cơ ở dạng nhóm amino của alanine

• Pyruvate được tạo ra từ phản ứng khử amin của alanine trong gan sẽ được chuyển hóa thành glucose. Glucose sẽ được chuyển ngược lại cơ bắp như một phần của chu trình glucose-alanine.

+

Amino acid -ketoglutarate NADH + NH4

-keto acid glutamate NAD+ + H2O

Transaminase Glutamate Dehydrogenase

Glutamate is transported to the mitochondria where it undergoes oxidative deamination to -ketoglutarate

NH4

cytosol

mitochondria

NH4

cytosol

mitochondria

NH4

Glucose-Alanine Cycle

Sự bài tiết nitrogen và chu trình urê

Ammonia rất độc đối với các mô động vật. trong chu trình urea, ornithine gắn với ammonia ở dạng carbamoyl phosphate để tạo thành citrulline. Nhóm amino thứ 2 được chuyển từ asparate đến citrulline để tạo thành arginine-tiền chất trung gian của urê. Arginase xúc tác thủy phân arginine thành urê và ornithine; từ đó ornithine được tái sinh sẽ tiếp tục đi vào chu trình

Forms of excreted nitrogen

The Urea Cycle

Chu trình urê dẫn đến sự chuyển hóa oxaloacetate thành fumarate, cả hai là chất trung gian trong chu trình acid citric (Krebs). Hai chu trình này nối liền nhau. Hoạt động của chu trình urê được điều hòa ở mức độ tổng hợp enzyme và bằng điều hòa allosteric enzyme tham gia xúc tác tạo thành carbamoyl phosphate

The citric acid cycle and the urea cycle are linked

The Cost of Urea Synthesis

2 ATPs are used in carbamoyl-phosphate synthesis. 1 ATP is used in arginosuccinate synthesis.

The overall equation for the urea cycle is:

2NH4

+ + HCO3- + 3ATP + H2O  urea + 2ADP + 4Pi + AMP + 5H+

However, fumarate was produced which feeds into the citric acid cycle and is converted to oxaloacetate, producing a molecule of NADH (2.5 ATP)

Những con đường phân giải acid amin

carbon phản ứng 1

enzyme nhờ

Sau khi loại các nhóm amin, sườn carbon của các acid amin trải qua quá trình oxy hóa thành các hợp chất có thể đi vào chu trình acid citric để oxy hóa thành CO2 và H2O. Những phản ứng của các con đường này cần một số cofactor bao gồm tetrahydrofolate (THF hay H4 folate) và S- adenosyl-methionine (SAM hay adoMet) trong và chuyển các tetrahydrobioprotein trong quá trình oxy hóa phenylalanine phenylalanine hydroxylase.

• Tùy thuộc vào sản phẩm phân giải cuối cùng, một số acid amin có thể được chuyển hóa thành các thể ketone, một số thành glucose và một thành cả 2 dạng này. Chính vì thế, sự phân giải acid amin được hợp nhất vào quá trình biến dưỡng trung gian và có thể là cần thiết cho sự sống còn dưới các điều kiện mà acid amin là nguồn năng lượng biến dưỡng quan trọng

• Các sườn carbon của các acid amin đi vào chu trình acid citric thông qua 5 chất trung gian: acetyl-CoA, - ketoglutarate, succinyl-CoA, fumarate và oxaloacetate. Một số cũng có thể bị phân giải thành pyruvate là chất có thể được chuyển hóa thành acetyl-CoA hoặc oxaloacetate.

Các acid amin sinh ra pyruvate là alanine, threonine và

serine,

cysteine, glycine, tryptophan.

Leucine, lysine, phenylalanine và tryptophan sinh ra acetyl-CoA theo hướng acetoacetyl- CoA.

Isoleucine, leucine, threonine và tryptophan

cũng tạo trực tiếp acetyl-CoA

Arginine,

glutamate,

glutamine, histidine, và proline tạo -ketoglutarate threonine và

Isoleucine, methionine,

valine sinh ra succinyl-CoA

Các

4 tử

carbon

nguyên

của phenylalanine và tyrosine làm tăng fumarate ; và asparagine và aspartate tao ra oxaloacetate.

ngoài

bên

gan

• Các acid amin phân nhánh (isoleucine, leucine và valine), không giống những acid amin khác, chỉ bị phân giải ở các (extrahepatic mô tissues).

• Những khiếm khuyết di truyền ở các enzyme tham gia quá trình dị hóa acid amin có thể gây ra các bệnh nguy hiểm ở người

Tổng quan sự biến dưỡng Nitrogen

Nitrogen phân tử chiếm 80% khí quyển trái đất lại không thể sử dụng được đối với hầu hết sinh vật cho đến khi chất này được khử.

Sự cố định N2 khí quyển này xảy ra ở một vài vi khuẩn sống tự do và ở vi khuẩn sống cộng sinh trong nốt rễ các cây họ đậu.

... Tiêu thụ năng lượng cao (8 ATP cho 1 NH3) ATP từ quang hợp

1. Một vài vi sinh vật sống tự do hoặc cộng sinh có thể chuyển N2 thành ammonia. 2. Ammonia được kết hợp chặt chẽ với các phân tử sinh học, các phân tử này sẽ phân hủy sau đó,

tái tạo ammonia.

3. Nhiều vi khuẩn đất và thực vật có thể khử nitrate thành ammonia thông qua nitrite. 4. Một vài vi khuẩn chuyển ammonia thành nitrite. Các vi khuẩn khác oxid hóa nitrite thành

nitrate, và một số có thể khử nitrate thành N2. – chu trình N2 hoàn chỉnh

Metabolic pathways

Chu trình nitrogen đòi hỏi sự hình thành ammonia bởi sự cố định N2 của vi khuẩn, sự oxy hóa ammonia thành nitrate bởi các vi sinh vật đất, sự chuyển hóa nitrate thành ammonia bởi thực vật bậc cao, sự tổng hợp amino acids từ ammonia bởi tất cả sinh vật, và sự chuyển hóa nitrate thành N2 bởi các vi khuẩn đất khử nitrogen.

Symbiotic Nitrogen Fixation

The Rhizobium-legume association

Bacterial associations with certain plant families, primarily legume species, make the largest single contribution to biological nitrogen fixation in the biosphere

bacteroids (rod-like bacteria)

plant cell nucleus

2 mm

N2

Sinorhizobium meliloti Bacteroids

Sự cố định N2 thành NH3 được tiến hành bởi phức hợp nitrogenase, trong một phản ứng cần ATP. Phức hợp nitrogenase rất dễ biến tính khi có sự hiện diện của O2.

Phức hợp Nitrogenase

Nitrogenase rất nhay với O2. Nó được bảo vệ trong nốt rễ với nồng độ leghemoglobin cao, một protein có nhân heme có ái lục cao với O2. Leghemoglobin được sản xuất bởi thực vật, nhưng chuyển các electron đến chuỗi hô hấp của vi khuẩn, giữ cho nồng độ O2 thấp.

Nitrogenase

Nitrogenase gồm 2 proteins: dinitrogenase reductase và dinitrogenase

Toàn bộ phản ứng

dinitrogenase

dinitrogenase reductase

Cần 16 ATP cho một phản ứng khử N2 -> 2 NH3

Trong các hệ thống sống, nitrogen khử đầu tiên được hợp thành các amino acid và sau đó thành nhiều phân tử sinh học khác, bao gồm nucleotides. Điểm tiếp nhận chính là amino acid glutamate. Glutamate và glutamine là chất cho nitrogen trong rất nhiều phản ứng sinh tổng hợp biosynthetic. Glutamine synthetase, vốn xúc tác cho sự tổng hợp glutamine từ glutamate, là một enzyme điều hòa chính của sự biến dưỡng nitrogen.

Glutamine Synthetase: A Homo-dodecamer

Side view

Top view

Transamination

NADH

ADP

NAD+

+ NH4

Glutamate Dehydrogenase

NAD+ & H2O

ATP

NAD+

Hoạt động kết hợp giữa glutamine synthetase và glutamate synthase có thể dẫn đến sự kết hợp ammonia thành các amino acid.

Sau sự tạo thành từ alphaketoglutarate, glutamate trải qua sự chuyển nhóm amine với các keto acids khác để hình thành các amino acid tương ứng.

for required transamination

and

incorporate nitrogen derived

The amino acid and nucleotide biosynthetic pathways make repeated use of the biological cofactors pyridoxal phosphate, tetrahydrofolate, and S-adenosylmethionine. Pyridoxal phosphate reactions is involving glutamate and for other amino acid transformations. One-carbon transfers require tetrahydrofolate. S-adenosylmethionine Glutamine amidotransferases catalyze reactions from that glutamine

COO

CH2

CH3

CH2

+ NH3

+

COO

alanine -ketoglutarate pyruvate glutamate Aminotransferase (Transaminase)

In another example, alanine becomes pyruvate as the amino group is transferred to -ketoglutarate.

Sinh tổng hợp acid amin

Thực vật và vi khuẩn tổng hợp tất cả 20 acid amin thường gặp. Động vật hữu nhũ có thể tổng hợp khoảng phân nửa; phân nửa còn lại thu nhận từ thực phẩm (các acid amin cần thiết)

Con người có thể tổng hợp 10 trong 20 amino acid phổ biến

Các Amino Acid thiết yếu và không thiết yếu cho con người

Thiết yếu Không thiết yếu

Các amino acids mà một sinh vật không thể tổng hợp đủ lượng trong một điều kiện cụ thể được gọi là “thiết yếu”. Các amino acid được tổng hợp đủ số lượng là “không thiết yếu”.

Hầu hết vi khuẩn và thực vật có thể tổng hợp toàn bộ 20 amino acid.

Arginine* Histidine Isoleucine Leucine Lysine Methionine Phenylalanine Threonine Tryptophan Valine

Alanine Asparagine Aspartate Cysteine Glutamate Glutamine Glycine Proline Serine Tyrosine

*Arg thiết yếu với trẻ sơ sinh và trẻ đang lớn nhung lại không thiết yếu với người trưởng thành

Alanine và aspartate (và asparagine) được tạo thành từ pyruvate và oxaloacetate tương ứng nhờ phản ứng chuyển nhóm amin.

Chuỗi carbon của serin có nguồn gốc từ 3- phosphoglycerate. Serine là tiền chất của glycine; nguyên tử β-carbon của serine được chuyển cho tetrahydrofolate.

Ở vi sinh vật, cysteine được tạo ra từ serine và từ sulfide được sinh ra từ phản ứng khử sufate tử môi trường.

Động vật hữu nhũ tạo cysteine từ methionine và cần S- loạt phản ứng nhờ hàng

serine adenosylmethionine và cystathione.

COO

CH2

CH3

CH2

+ NH3

+

COO

alanine -ketoglutarate pyruvate glutamate Aminotransferase (Transaminase)

Methionine

Trong số các acid amin cần thiết, các acid amin vòng thơm (phenylalanine, tyrosine và tryptophane) hình thành bằng con đường mà trong đó chorismate thực hiện điểm phân nhánh quan trọng. Phosphoribosyl pyrophosphate là tiền chất của tryptophane và histidine. Con đường đến histidine là sự giao thoa với con đường tổng hợp purine. Tyrosine cũng có thể được tạo thành nhờ hydroxyl hóa phenylalanine. Những con đường tổng hợp các acid amin cần thiết khác thì phức tạp

Chorismate

PRPP

Các con đường sinh tổng hợp acid amin lệ thuộc sự ức chế allosteric bởi sản phẩm cuối; enzyme điều hòa thường là enzyme đầu tiên của chuỗi phản ứng. sự điều hòa các con đường tổng hợp khác nhau cũng được phối hợp với nhau

Các phân tử có nguồn gốc từ acid amin

Nhiều phân tử sinh học quan trọng có nguồn gốc từ các acid amin. Glycine là tiền chất của porphyrin. Sự phân giải sắt- porphyrin (heme) sinh ra bilirubin, chất này bị chuyển hóa thành các sắc tố mật với các chức năng sinh lý.

Glycine và arginine làm tăng creatine và phosphocreatine, một dạng đệm năng lượng. glutathione được tạo thành từ 3 acid amin là một tác nhân khử quan trọng của tế bào

• Vi khuẩn tổng hợp D-acid amin từ L-acid amin trong các phản ứng ceramic cần có pyridoxal phosphate. D-acid amin thường được tìm thấy ở một số vách tế bào vi khuẩn và một số kháng sinh.

• Các acid amin có vòng thơm tăng các hợp chất thực vật. phản ứng khử carboxyl phụ thuộc PLP của một số acid amin sinh ra các amine quan trọng bao gồm các chất dẫn truyền thần kinh

• Arginine là tiền chất của nitric oxide, một tín

hiệu sinh học

Racemization

Decarboxylation

Sinh tổng hợp và phân giải các nucleotide

bắt

với

đầu

bước

Hệ thống vòng purine được xây dựng 5- từ phosphoribosylamine. Các acid amin glutamine, glycine, aspartate cing cấp toàn bộ các nguyên tử nitrogen của purine. Hai bước đóng vòng tạo thành purine nhân

Ribose-5-phosphaste

tổng hợp từ Pyrimidine được carbamoyl phosphate và aspartate, và ribos 5-phosphate sau đó được đính vào để tạo ra pyrimidine rinbonucleotide

DNA

CDP

• Các nucleoside monophosphate bị chuyển hóa thành các triphosphate của chúng nhờ các phản ứng phosphoryl hóa xúc tác bởi enzyme. Các ribonucleoside bị chuyển nhờ deoxyribonucleotide thành ribonucleotide reductase, một enzyme có cơ chế hoạt động và các đặc điểm điều hòa mới. thymine nucleotide có nguồn gốc từ dCDP và dUMP

• Acid uric và urea là các sản phẩm cuối cùng của quá trình phân giải purine và pyrimidine • Các purine tự do có thể được tận dụng và tái xây dựng thành nucleotide. Các khiếm khuyết di truyền ở một số enzyme gây ra những sự rối loạn nghiêm trọng như triệu chứng Lesch- Nyhan và khiếm khuyết ADA

• Sự tích lũy các tinh thể acid uric ở các điểm

giao nhau có thể gây ra bệnh gout

• Các enzyme của con đường sinh tổng hợp nucleotide là mục tiêu cho hàng loạt các tác nhân hóa trị liệu được dùng để chữa bệnh ung thư và các bệnh khác