Hỏi Đáp Bao nhiêu

Để tổng hợp acid béo palmitic 16 C cần bao nhiêu NADPHH+

Palmitic acid là sản phẩm chủ yếu của quá trình tổng hợp acid béo ở tế bào động vật. Palmitic acid được kéo dài mạch carbon để tạo nên các acid béo bão hòa khác có chuỗi carbon dài hơn bằng cách gắn dần những đơn vị acetyl qua quá trình hoạt động của hệ thống kéo dài mạch carbon của acid béo có mặt trong ti thể và trong microsome.

Trong ti thể: Cơ chế kéo dài chuỗi carbon của acid béo được thực hiện tương tự ngược với quá trình -oxy hóa, chất vận chuyển nhóm acyl là CoA, các enzyme xúc tác giống như quá trình -oxyhóa trừ enzyme xúc tác phản ứng khử thứ hai là enoyl reductase có coenzyme là NADPH [không phải là NADH].

Hệ thống enzyme nói trên cũng xúc tác quá trình kéo dài mạch carbon của những acid béo không bão hòa.

Trong microsome: Cũng có hệ thống enzyme kéo dài chuỗi acyl của acid béo bão hòa và không bão hòa. Trong trường hợp này, các malonyl CoA là nguồn cung cấp nhóm acetyl cho phản ứng tổng hợp và các bước phản ứng cũng giống những phản ứng tổng hợp acid béo nhưng chất vận chuyển nhóm acyl là CoA [không phải là ACP]. Quá trình này chủ yếu tổng hợp các acid C22 và C24 của sphingolipid.

9.3.3 Tổng hợp acid béo không bão hòa

9.3.3.1 Sự hình thành các acid béo không bão hòa có một liên kết đôi

Trong mô động vật, palmitate và stearate là tiền chất để tạo thành hai acid béo chưa no bậc 1 phổ biến nhất ở mô động vật là panmitoleate kí hiệu là 16:1 [∆9] và oleate 18:1 [∆9]. Đối với sinh vật hiếu khí, liên kết đôi được hình thành nhờ hệ monoxygenase đặc hiệu xúc tác. Enzyme này khu trú ở hệ thống lưới nội nguyên sinh của gan và mô mỡ. Một phân tử oxy được dùng làm chất tiếp nhận hai cặp điện tử, một cặp do cơ chất palmitoyl-CoA hoặc stearoyl-CoA và một cặp khác do NADPH. Phản ứng tổng quát quá trình hình thành palmioleoyl-CoA như sau:

Palmitoyl + NADPH + H+ + O2 Palmitoleoyl-CoA + NADP+ + 2H2O

Đối với nhiều sinh vật kị khí [vi khuẩn E. coli] cơ chế tổng hợp này hoàn toàn khác và quá trình phản ứng không dùng oxy phân tử.

Trong quá trình hình thành các acid béo nhiều liên kết đôi, sự kéo dài chuỗi carbon được thực hiện ở đầu carboxyl do các hệ enzyme kéo dài chuỗi trong ti thể và microsome xúc tác, các phản ứng tạo liên kết đôi do tác dụng của hệ thống cytochrome b5 oxygenase cùng với NADPH là chất gây tác dụng khử oxy phân tử. Trong những acid béo có nhiều liên kết đôi, arachidonate có nhiều hơn cả, nó là tiền thân của các ecosanoid - những chất có vai trò sinh học quan trọng trong cơ thể sống.

Ở động vật bậc cao có 3 acid béo mà cơ thể không tự tổng hợp được nhưng giữ vai trò quan trọng trong chuyển hóa vì vậy động vật phải khai thác chúng từ nguồn gốc thực vật, do đó chúng được gọi là những acid béo thiết yếu hay acid béo không thể thay thế được. Những acid béo đó là:

- Linoleic acid 18 C: 2 [∆9,12]

- Linolenic acid 18 C:3 [∆9,12,15]

- Arachidonic acid 20 C:4 [∆5,8,11,14]

9.3.4.1 Tổng hợp triglycerid

Cơ thể động vật có khả năng tổng hợp và dự trữ một số lượng lớn triglycerid. Thực vật tổng hợp và dự trữ triglycerid ở quả và hạt. Ở vi khuẩn, lượng triglycerid nói chung được tổng hợp ít. Triglycerid được tổng hợp từ acyl-CoA và glycerol-3-phosphate có trong tế bào.

9.3.4.2 Tổng hợp sterid

Sterid là lipid được cấu tạo bởi cholesterol và acid béo. Cholesterol có nhiều vai trò sinh học quan trọng như tham gia cấu tạo màng sinh học, là tiền chất tạo hormone steroid và muối mật. Vai trò hormone vỏ tuyến thượng thận là mineralocorticoid điều hòa trao đổi khoáng, glucocorticoid điều hòa tổng hợp glucose. Hormone sinh dục là androgen ở cá thể đực và estrogen ở cá thể cái.

Trong cơ thể động vật, cholesterol có hai nguồn gốc: được đưa từ thức ăn [ngoại sinh] và được tổng hợp bởi các tế bào, chủ yếu là tế bào gan [nội sinh].

Nguồn ngoại sinh: Thức ăn giàu cholesterol là thịt, gan, não và lòng đỏ trứng. Cholesterol của thức ăn được hấp thu ở ruột cùng với các lipid khác trong phân tử chylomicron. 80-90% lượng cholesterol hấp thu được vận chuyển trong hệ thống mạch bạch huyết và được ester hóa với acid béo chuỗi dài. Cholesterol vận chuyển trong máu dưới dạng kết hợp với lipoprotein tỷ trọng thấp [LDL: Low Density Lipoproteins] và lipoprotein tỷ trọng cao [HDL: High Density Lipoproteins].

Khoảng 50% lượng cholesterol được bài xuất theo phân dưới dạng acid mật, phần còn lại của cholesterol được đào thải dưới dạng steroid trung tính.

Nguồn nội sinh: Quá trình tổng hợp cholesterol xảy ra chủ yếu ở gan và ruột. Ngoài ra choleserol được tổng hợp ở tuyến thượng thận, tinh hoàn, buồng trứng, da và hệ thần kinh. Ở động vật có vú, cholesterol được tổng hợp từ acetyl-CoA. Quá trình tổng hợp có thể chia làm 4 giai đoạn:

1] Thành lập mevalonate từ acetate

2] Mevalonate biến đổi thành 2 dạng isoprene hoạt hóa

3] Trùng ngưng 6 phân tử isoprene hoạt hóa thành squalene.

4] Phân tử squalene được vòng hóa và trùng ngưng thành nhân steroid.

Quá trình tổng hợp cholesterol rất phức tạp, tốn kém về mặt năng lượng và được điều hòa chặt chẽ. Ở động vật, quá trình này được điều hòa bởi nồng độ cholesterol nội bào, bị hormone glucagon ức chế và được insulin hoạt hóa. trong đó điểm điều hòa quan trọng nhất là phản ứng biến đổi HMG-CoA thành mevalonate do enzyme HMG-CoA reductase xúc tác. Đây là enzyme điều hòa dị lập thể [allosteric enzyme], nó bị ức chế bởi các dẫn xuất của cholesterol và hormone glucagon và được hoạt hóa bởi insulin. Nồng độ cholesterol nội bào cao còn kích thích sự tạo thành và tích lũy cholesteryl ester, ức chế sự hình thành thụ thể đối với LDL và làm giảm sự hấp thu cholesterol từ máu.

Việc hấp thu thức ăn nhiều chất béo hoặc do rối loạn di truyền sẽ gây xáo trộn sự trao đổi chất của cholesterol, điều này sẽ dẫn đến hàm lượng cholesterol và hạt LDL trong máu cao gây một số bệnh nguy hiểm, đặc biệt là bệnh xơ vữa động mạch. Đối với người già, quá trình trao đổi chất nói chung giảm xuống. Nếu cơ thể tiếp thu một lượng lớn cholesterol trong thức ăn thì sự dư thừa chất này sẽ lắng đọng trên thành mạch máu, làm cho luồng mạch nhỏ đi, do đó huyết áp tăng lên. Những mao mạch có vách bị cholesterol lắng đọng sẽ bị giảm độ đàn hồi, trong trường hợp huyết áp tăng đột ngột có thể gây vỡ. Nếu vỡ mạch máu trong não bộ có thể chết đột ngột, hoặc gây liệt.

Người ta tìm thấy ở nấm mốc có lovastatin và compactin là hai chất ức chế HMG-CoA reductase ngăn cản sự tổng hợp cholesterol. Hiện nay chúng đang được sử dụng hữu hiệu để chữa trị căn bệnh hiểm nghèo nói trên.

9.4 Ảnh hưởng của hormone đối với sự chuyển hóa mô mỡ

Vận tốc và lượng acid béo tự do được phóng thích từ mô mỡ chịu sự điều khiển của nhiều hormone. Insulin có tác dụng làm giảm lượng acid béo tự do trong huyết tương, làm gia tăng sự tổng hợp triacyl glycerol trong mô mỡ, tăng quá trình oxy hóa glucose qua tiến trình HMP, đồng thời làm tăng sự xâm nhập glucose vào mô mỡ. Insulin còn ức chế hoạt động của lipase, đình chỉ sự phóng thích các acid béo tự do và glycerol. Trong cơ thể động vật, mô mỡ là vị trí chính để insulin thể hiện tác động.

Tác động của hormone prolactine trên mô mỡ tương tự như tác động của insulin nhưng cần với hàm lượng cao hơn.

Các hormone ACTH, adrenaline, noradrenaline, glucagon và vasopresine đều có tác động làm tăng sự thủy phân mỡ, tăng lượng acid béo tự do trong huyết tương. Cơ chế tác động của nhóm hormone này chủ yếu làm tăng hoạt động của lipase cảm ứng hormone, gia tăng sự biến dưỡng của glucose.

Mô mỡ chứa nhiều loại lipase khác nhau: lipase triacylglycerol cảm ứng hormone, còn lipase diacylglycerol và lipase monoacylglycerol không cảm ứng hormone. Cơ chế cảm ứng như sau: khi nồng độ cAMP [AMP vòng] tăng lên trong mô mỡ, chúng hoạt hóa enzyme kinase và chính enzyme này tác động biến lipase triacylglycerol từ trạng thái không hoạt động sang trạng thái hoạt động. Sự phân giải mô mỡ tùy thuộc vào nồng độ cAMP trong tế bào, mà nồng độ này lại phụ thuộc vào phản ứng xúc tác của adenylate cyclase, enzyme này lại tùy thuộc vào sự kích ứng của hormone khi đến tế bào mỡ.

Tài liệu tham khảo

Tài liệu tiếng Việt

Vũ Kim Bảng, Nguyễn Đặng Hùng, Nguyễn Văn Kiệm, Trần Thị Lộc, Vũ Thị Thư, Lê Khắc Thận, 1991. Bài giảng Hóa sinh đại cương. NXB Đại học và Giáo dục chuyên nghiệp.

Nguyễn Hữu Chấn, Nguyễn Thị Hà, Nguyễn Nghiêm Luật, Hoàng Bích Ngọc, Vũ Thị Phương, 2001. Hóa sinh. Nhà xuất bản Y học, Hà Nội.

Phạm Thị Trân Châu và Trần thị Áng, 2003. Hóa sinh học. NXB Giáo dục.

Nguyễn Đình Huyên và Mai Xuân Lương, 1987. Sinh hóa học hiện đại theo sơ đồ. NXB Y học, Tp. Hồ Chí Minh.

Nguyễn Tiến Thắng và Nguyễn Đình Huyên, 1998. Giáo trình sinh hóa hiện đại. NXB giáo dục.

Hoàng Văn Tiến, Lê Khắc Thận và Lê Doãn Diên, 1997. Sinh hóa học với cơ sở khoa học công nghệ gen. Giáo trình cao học nông nghiệp. NXB Nông nghiệp, Hà Nội.

Tài liệu tiếng Anh

Church D. C, Pond W. G., 1993. Basis animal nutrition and feeding. Third edition, Worth publishers, New York.

Fuller M. F., 1997. Pig nutrition and feeding. Proceeding of a seminar on pig production in tropical and sub-tropical regions, China.

Lehninger A. L, Nelson, D. L, Cox M. M., 1993. Principles of Biochemistry. Second edition, Worth publishers, New York.

McDonald P., Edwards R.A., Greenhagh J. F. D., Morgan C. A., 2002. Animal Nutrition. Longman Scientific Technical. Sixth edition.

Nelson D. L., Cox M. M., 2005. Lehninger Principles of Biochemistry, Fourth Edition. Freeman and Company, New York, USA.

Stryer L., 1995. Biochemistry. W.H. Freeman and company, SanFrancisco. 4th Edition.

Tom Brody, 1999. Nutritional Biochemistry. Second edition, Academic Press, New York.

CHUYỂN HÓA PROTEIN

Nguyễn Thị Lộc

Sự chuyển hóa protein chiếm vị trí trung tâm trong tất cả các quá trình sinh học xảy ra trong cơ thể sống. Theo quan điểm duy vật biện chứng, sự sống là dạng vận động đặc biệt của vật chất, là phương thức tồn tại của các thể protein khác nhau đặc trưng bởi sự trao đổi chất không ngừng giữa cơ thể sinh vật và môi trường xung quanh. Nghiên cứu trao đổi protein là chìa khóa để tiên đoán bí mật thiên nhiên, hiểu và nắm vững quy luật sinh trưởng, phát triển của sinh vật để điều khiển, chi phối các quy luật đó theo hướng có lợi cho con người.

10.1 Đặc điểm của chuyển hóa amino acid và protein ở động vật bậc cao - Khái niệm về cân bằng nitơ

10.1.1 Đặc điểm của chuyển hóa amino acid và protein ở động vật

10.1.1.1 Sinh tổng hợp protein theo nguyên tắc "Tất cả hoặc không có gì cả"

Quá trình sinh tổng hợp protein trong tế bào động vật muốn diễn ra được đòi hỏi phải có sự tham gia của nhiều yếu tố khác nhau, trong đó, các amino acid phải đầy đủ về số lượng và theo một tỉ lệ tương quan nhất định. Nếu thiếu hụt một trong các yếu tố hoặc nếu thiếu hụt một trong số các amino acid thì quá trình sinh tổng hợp protein sẽ bị ngưng trệ. Những amino acid dư thừa không dự trữ trong tế bào sẽ bị sử dụng để chuyển hóa thành các chất hoặc làm nguồn năng lượng. Do đó, để đảm bảo hiệu quả kinh tế trong chăn nuôi, các nhà dinh dưỡng đã đưa ra khái niệm protein lý tưởng. Protein lý tưởng là protein trong đó sự cân bằng amino acid đạt tới mức tối ưu nhất so với nhu cầu và được gia súc sử dụng với hiệu quả cao nhất. Theo McDolnald [1994], cân bằng amino acid [g/kg] trong protein lý tưởng đối với lợn sinh trưởng được thể hiện qua bảng 10.1. Đặc điểm này có ý nghĩa ứng dụng trong kỹ thuật chăn nuôi. Cần biết rõ chất lượng protein của khẩu phần vật nuôi để bổ sung những amino acid thiếu, nhờ đó làm tăng giá trị dinh dưỡng của thức ăn.

10.1.1.2 Tích lũy protein có giới hạn

Ở động vật, đến tuổi trưởng thành cơ thể không có khả năng dự trữ protein. Tùy theo lứa tuổi, trạng thái sinh lý mà có sự cân bằng nhất định trong thu và thải protein. Cân bằng amino acid được thể hiện qua chỉ số “cân bằng nitơ” thông qua việc tính lượng nitơ đưa vào cơ thể theo thức ăn và lượng nitơ thải ra theo phân, nước tiểu, mồ hôi trong một thời gian nhất định. Cân bằng nitơ có 3 khả năng thường gặp:

- Cân bằng dương: Lượng nitơ đưa vào cơ thể nhiều hơn nitơ thải ra. Cơ thể sử dụng protein và amino acid để xây dựng mô bào, để sinh trưởng và phát triển. Cân bằng dương thường gặp ở động vật non đang phát triển hay động vật hồi phục sức khỏe sau ốm.

- Cân bằng âm: Lượng nitơ đưa vào cơ thể ít hơn nitơ thải ra. Quá trình dị hóa ở mô bào mạnh hơn đồng hóa. Trạng thái này thường gặp ở động vật già, ốm yếu hoặc khi khẩu phần thức ăn thiếu protein về số lượng và chất lượng.

- Cân bằng đều: Lượng nitơ đưa vào cơ thể bằng lượng nitơ thải ra. Quá trình đồng hóa cân bằng với quá trình dị hóa, cơ thể ngừng phát triển. Trạng thái này thường gặp ở động vật trưởng thành.

Một quan niệm trong dinh dưỡng học là “lượng protein tối thiểu”, tức lượng protein cần thiết để duy trì sự phát triển bình thường của cơ thể ở trạng thái nghỉ ngơi hoàn toàn. Mỗi động vật cần lượng protein này khác nhau, thay đổi theo loài, lứa tuổi, trạng thái sinh lý.

Loài động vật Lượng protein tối thiểu

[g/kg thể trọng/ngày đêm]

Cừu 1,00

Lợn 1,00

Ngựa 0,70-1,42

Bò cạn sữa 0,60-0,70

Bò đang tiết sữa 1,00

Người 1,00-1,50

10.2 Tiêu hóa và hấp thu protein ở động vật

10.2.1 Tiêu hóa và hấp thu protein ở động vật dạ dày đơn

Dưới tác động của nhóm enzyme protease, protein thức ăn được thủy phân thành các polypeptide, oligopeptide và cuối cùng thành các amino acid. Sự thủy phân protein xảy ra ở dạ dày và ruột non.

10.2.1.1 Tiêu hóa protein trong dạ dày

Thức ăn đến dạ dày sẽ kích thích tuyến dạ dày tiết ra hormone gastrin, sau đó kích thích tế bào rìa tiết ra HCl và tế bào chính tiết ra pepsinogen. Độ acid của dạ dày cao, pH dịch dạ dày 1,5-2,5 cho nên có tác dụng diệt khuẩn và làm biến tính các protein hình cầu tạo điều kiện cho các enzyme thủy phân liên kết peptide hoạt động. Pepsine được giữ dưới dạng pesinogen [trọng lượng phân tử 42.000] trong các tế bào chủ của niêm mạc dạ dày và chỉ hoạt hóa thành pepsine [trọng lượng phân tử 35.000] khi đã được tiết ra xoang dạ dày.

Kiểu phản ứng này là phản ứng tự xúc tác trong đó protein là chất hoạt hóa còn HCl tăng cường hoạt lực của pepsine. Ở trong môi trường acid của dạ dày, pepsine thường có hoạt lực cao, 1 gam pepsine của dịch dạ dày có thể thủy phân 50 kg albumine trứng trong vòng 2 giờ ở những điều kiện thích hợp. Pepsine có thể thủy phân collagen và elastine nhưng không thủy phân keratin của tóc, lông và cả các protein đơn giản có nguồn gốc thực vật. Pepsin chủ yếu thủy phân liên kết peptide trong đó có sự tham gia của amino acid mạch vòng và liên kết Ala-Ala, Ala-Ser và một số liên kết khác. Cơ chế tổng quát về tác động của enzyme pepsin đối với protein như sau:

Trong dạ múi khế của động vật nhai lại ở giai đoạn bú sữa có chứa enzyme renine [chymosin] có vai trò làm đông vón sữa. Renine là chuỗi polypeptide có trọng lượng phân tử khoảng 40.000, chúng hoạt động trong môi trường acid yếu [pH 5,0 - 5,3] và cần sự có mặt của Ca++. Renine làm đông vón sữa bằng cách biến caseinogen thành caseinate calcium, tạo điều kiện cho tiêu hóa protein sữa.

10.2.1.2 Sự tiêu hóa protein ở ruột non

Các polypeptide cao phân tử, các peptone khi xuống ruột non sẽ được hệ thống enzyme của dịch tụy và dịch ruột phân giải triệt để thành amino acid. Trypsin trong dịch tụy và dịch ruột khi mới tiết ra ở dạng chưa hoạt động là trypsinogen. Dưới tác động của enzyme enterokinase, trypsinogen biến thành trypsin hoạt động, sau đó quá trình này có thể xảy ra theo phương thức tự hoạt hóa, nghĩa là chịu tác động ngay của enzyme trypsine. Trypsine hoạt động tốt nhất trong môi trường pH 7 - 8. Dưới tác dụng của trypsin, các protein còn sót, các peptide lớn sẽ bị thủy phân đến dạng peptide có phân tử trọng thấp hơn và một phần thành amino acid. Trypsin thể hiện hoạt lực cao nhất đối với các liên kết peptide có chứa nhóm carboxyl của amino acid diamin [lysine, arginine].

Chymotripsin chứa trong dịch tụy ở dạng chưa hoạt động là chymotripsinogen. Dưới tác động của enzyme trypsin và chymotrypsin, chymotrypsinogen biến thành dạng hoạt động. Enzyme này hoạt động tối ưu ở pH = 8,0, chúng thủy phân liên kết peptid có nhóm -CO- thuộc amino acid nhân thơm [Phe, Tyr và Trp]. Các peptide ngắn hơn được thủy phân hoàn toàn ở ruột non nhờ carboxypeptidase phân cắt các liên kết peptide nằm sát đầu nhóm carboxyl tự do. Aminopetidase [trong dịch ruột] phân cắt liên kết peptide nằm sát đầu nhóm amin tự do. Dipeptidase phân giải dipeptide thành 2 amino acid. Ngoài những enzyme trên, trong dịch ruột còn gặp protaminase thủy phân protamine, prolinase thủy phân các liên kết peptide có chứa proline.

Như vậy, dưới tác động của các enzyme tiêu hóa, các protein của thức ăn đã bị thủy phân hoàn toàn thành các amino acid. Amino acid được hấp thu qua phần đáy và phần bên của màng bào tương tế bào niêm mạc ruột vào máu để đến gan. Ở gan các amino acid có thể biến đổi khác nhau: tổng hợp protein hoặc có thể theo máu đi đến mô bào để tổng hợp các chất cần cho sự hoạt động như protein, các enzyme, hormon, kháng thể, ... khi cần amino acid có thể dùng làm nguồn cung cấp năng lượng.

Ở động vật sơ sinh, phần lớn protein trong đó có immunoglobulin sữa đầu được hấp thu bằng con đường ẩm bào đi vào máu và không chịu sự tác động của enzyme tiêu hóa. Sự ẩm bào nhanh chóng đặc biệt trong vòng 4 giờ đầu tiên sau khi động vật sơ sinh bú sữa đầu.

10.2.1.3 Chuyển hóa protein trong ruột già

Tuyến ruột già tiết ít dịch, enzyme ít và hoạt động yếu. Tiêu hóa chủ yếu nhờ enzyme từ dưỡng chấp ruột non xuống. Ruột già chủ yếu hấp thu nước và khoáng.

Lên men: Vi sinh vật hữu ích tác động lên cellulose, bột đường còn lại để hình thành acid béo bay hơi và thể khí. Acid béo bay hơi được hấp thu phần lớn qua ruột già vào máu đến gan. Thể khí được thoát ra ngoài hậu môn. Lên men chủ yếu xảy ra ở manh tràng.

Thối rữa: Do vi khuẩn gây thối, chủ yếu là E. coli tác động lên các protein còn lại, phân giải thành indol, scatol, phenol, cresol, H2S, CO2, H2, … thối và độc. Những hợp chất này một phần được đào thải theo phân, phần lớn hấp thu ở ruột già vào máu đến gan. Tại gan chúng được khử độc bằng cách kết hợp với SO4 hoặc với glucuronic acid tạo thành hợp chất không độc [indical]: Indolsulfonic, phenolsulfonic, indolglucuronic, phenolglucuronic acid,… thải ra ngoài theo nước tiểu. Trong lâm sàng, dựa vào lượng indical thải ra để chẩn đoán thăm dò chức phận khử độc của gan.

* Tiêu hóa protein ở lợn con

Lợn từ khi sinh đến khoảng 5 tuần tuổi, hoạt động tiêu hóa khác với giai đoạn trưởng thành. Vào những ngày đầu tiên sau khi sinh, ở ruột non có khả năng hấp thu protein một cách nguyên vẹn. Điều này là rất cần thiết để vận chuyển -globulin kháng thể từ sữa mẹ đến con. Khả năng lợn con hấp thu những protein này giảm nhanh và thấp tại 24 giờ sau khi sinh.

Khi lợn con sinh ra, hoạt động của các enzyme pepsin, -amylase, maltase và saccarase yếu, trong khi đó hoạt động của lactase mạnh và giảm dần khi trưởng thành. Những sự sai khác về hoạt động của các enzyme có ý nghĩa đặc biệt khi cai sữa sớm lợn con. Nếu lợn con cai sữa sớm tại 14 ngày tuổi, chế độ ăn phải chú ý đến loại carbohydrate. Những loại thức ăn hỗn hợp cai sữa sớm thường có các sản phẩm chứa lactose.

10.2.2 Tiêu hóa protein ở động vật nhai lại

Sự tiêu hóa và trao đổi các chất chứa nitơ ở loài nhai lại được thể hiện ở hình 10.1. Gia súc ăn nhiều urea thì pH và nồng độ urea trong dạ cỏ tăng, NH3 được hấp thu nhiều. NH3 được vận chuyển đến gan và hình thành urea để thải ra ngoài theo nước tiểu. Nếu gan không đủ sức để chuyển hóa NH3 sẽ dẫn đến nồng độ NH3 trong máu cao, NH3 chuyển đến não gây triệu chứng lâm sàng thần kinh và làm giảm tốc độ sinh trưởng.

Sự thủy phân urea nhanh gấp 4 lần so với sự đồng hóa amoniac của vi khuẩn, do đó dễ mất nitơ, nếu thủy phân chậm thì hiệu quả sử dụng amoniac của vi sinh vật sẽ cao. 1 gam urea tương đương 1,8-2 gam protein. Trong một ngày đêm, ở dạ cỏ tiêu hóa 60-150 g urea cho nên có thể thay thế 20-30% protein tiêu hóa trong khẩu phần.
Sự phân giải amino acid bao gồm các phương thức: khử amine, chuyển amine và khử carboxyl.

10.3.1 Phương thức khử amine

Phương thức khử amine chiếm vị trí quan trọng trong quá trình phân giải amino acid. Có nhiều kiểu phản ứng khử amine nhưng phản ứng khử amine bằng cách oxy hóa thường gặp và giữ vị trí nổi bật. Quá trình này gồm 2 giai đoạn: oxy hóa amino acid tạo thành imin acid và thủy phân tự phát các imin acid để tạo -ketonic acid và NH4+.

- Khử amine bằng cách oxy hóa của L-glutamate

L-glutamate được chuyển vào ty thể, dưới tác dụng của enzyme L-glutamate dehydrogenase có coenzyme [CoE] là NAD+ hoặc NADP+ sẽ bị khử amine bằng cách oxy hóa theo phản ứng sau:

Enzyme này là phức hợp gồm 6 tiểu đơn vị hoạt động chịu sự điều hòa của nồng độ ADP [hoạt hóa] và nồng độ GTP [ức chế].

Tính thuận nghịch của phản ứng khử amine bằng cách oxy hóa rất cao, cho nên ở thực vật đây là cơ chế chủ yếu để chuyển NH4+ vô cơ sang nhóm amine hữu cơ trong glutamic acid. Như vậy, đây là phản ứng hóa học có tầm quan trọng trong đời sống sinh vật.

- Khử amine bằng cách oxy hóa của các amino acid khác

Trong cơ thể động vật, quá trình khử amine bằng cách oxy hóa các L-amino acid khác xảy ra ở bào tương nhờ enzyme L-amino acid oxydase có CoE là FMN theo phản ứng:

FMNH2 tạo thành không tham gia vào chuỗi hô hấp mô bào mà chuyển H2 đến O2 tạo H2O2. Dưới tác dụng của enzyme catalase, H2O2 bị phân giải thành H2O và 1/2 O2. Các L-amino acid oxydase có ở lưới nội bào của gan và thận với hoạt tính thấp nên không có vai trò quan trọng trong phản ứng khử nhóm amine.

Như vậy, sản phẩm phân giải của amino acid là keto-acid, H2O và NH4+. Các keto-acid sẽ tiếp tục bị biến đổi thành các sản phẩm khác như carbohydrate, lipid hoặc có thể bị oxy hóa triệt để trong chu trình Krebs để cho năng lượng. Nước sẽ đi vào quá trình trao đổi chung, khí carbonic được thải ra ngoài cơ thể, còn NH4+ thì tùy theo từng loài sinh vật mà có những chuyển hóa khác nhau.

10.3.2 Phương thức chuyển amin

Phương thức chuyển amine có tầm quan trọng lớn trong đời sống sinh vật. Phản ứng chuyển amine là cơ chế chủ yếu của quá trình tổng hợp amino acid. Trong phản ứng, nhóm -amin của amino acid được chuyển cho nguyên tử carbon của keto-acid. Kết quả là amino acid sẽ trở thành keto-acid còn các keto-acid sẽ biến thành các amino acid tương ứng.

Quá trình phản ứng chuyển amine được bắt đầu bởi sự kết hợp giữa amino acid với phosphopyridoxal để hình thành phosphopyridoxamin và một keto-acid tương ứng. Tiếp đến phosphopyridoxamin kết hợp với một keto-acid khác và nhường nhóm amine sang nhóm keto để tạo thành amino acid mới, còn tự nó lại trở về dạng pyridoxal phosphate ban đầu. Phản ứng tổng quát của quá trình chuyển amin như sau:

PP + Amino acid I  PPA + Keto-acid I

PPA + Keto-acid II  PP + Amino acid II

Ở động vật, chất cho nhóm amine chủ yếu là glutamic acid, bản thân nó dễ dàng được tổng hợp từ -keto-glutarate là sản phẩm của sự trao đổi carbohydrate hay lipid. Chất nhận nhóm amine chủ yếu là pyruvate hoặc oxaloacetate để tạo thành -ketoglutarate, L-aspatate và L-alanine tương ứng.

Phương thức khử amine và chuyển amine có liên quan chặt chẽ với nhau. Enzyme glutamate aminotransferase có hoạt tính rất cao, cho nên các nhóm amine của hầu hết các amino acid được tập trung lại cho glutamate. Mặt khác glutamate là amino acid duy nhất khử amine bằng cách oxy hóa với tốc độ cao và có lợi về mặt năng lượng. Sự liên quan giữa hai quá trình trao đổi amine và khử amine được thể hiện như sau:

Chia sẻ với bạn bè của bạn:

Page 2

Quá trình tiêu hóa lipid có bản chất là quá trình thủy phân nhưng lipid không hòa tan trong nước, do vậy sự tiêu hóa và hấp thu lipid có những nét đặc thù. Ở miệng, lipid chỉ chịu tác dụng cơ học. Ở dạ dày động vật non [bê nghé, lợn con, v.v.] có chứa enzyme lipase nhưng hoạt lực yếu. Tuy nhiên lipid sữa mẹ ở dạng nhũ tương cho nên quá trình phân giải lipid khá cao. Ở động vật trưởng thành hầu như ở dạ dày không có quá trình thủy phân lipid. Sự tiêu hóa lipid bắt đầu thực sự ở ruột non nhờ tác dụng phối hợp của các yếu tố như enzyme lipase của tá tràng, tuyến tụy và các tác nhân nhũ tương hóa là acid mật và muối mật. Quá trình nhũ tương hóa mỡ ở ruột non nhờ một loạt các yếu tố sau:

- Nhu động của ruột cộng với trạng thái xốp của thức ăn do khí CO2 sinh ra trong quá trình trung hòa HCl của dịch vị bởi các bicarbonate của dịch ruột.

- Các acid mật bao gồm: cholic acid, 7-desoxycholic acid, litocholic acid, kenodesoxycholic acid 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 taurine tạo thành glycocholic acid và taurocholic acid có tính phân cực hóa. Nhờ nhu động của ruột, hạt mỡ bị vỡ thành các hạt nhỏ với kích thước 0,5 - 20 micron, các hạt này được phủ bởi lớp acid mật và lớp vỏ thủy hóa. Đó là dạng nhũ tương, tạo điều kiện cho enzyme lipase hoạt động.

Lipase ở tá tràng có hai nguồn gốc: lipase tuyến tụy và lipase niêm mạc ruột non. Lipase tụy khi mới tiết ra còn ở dạng zymogen, sau khi gặp acid mật nó chuyển sang trạng thái hoạt hóa.

Quá trình thủy phân triglycerid được diễn ra như sau:

9.1.2 Hấp thu lipid

Sản phẩm của sự tiêu hóa triglyceride gồm acid béo, glycerol, monoglyceride, diglyceride và một số hạt mỡ kích thước nhỏ. Glycerol dễ hòa tan trong nước nên thẩm thấu nhanh vào tế bào niêm mạc ruột. Các acid béo liên kết với acid mật tạo thành phức chất "choleic acid" có tính hòa tan và được hấp thu qua tế bào vách ruột theo phương thức thụ động hoặc phần lớn theo nguyên tắc ẩm bào. Sau khi vào tế bào thành ruột, acid mật tách khỏi acid béo đi vào hệ tĩnh mạch trở về gan. Tại gan acid mật đổ vào túi mật để làm nhiệm vụ như ban đầu.

Tại tế bào biểu mô thành ruột, acid béo kết hợp với glycerol để tái tạo thành mỡ [triacylglycerol]. Khoảng 70-80% mỡ tái tạo kết hợp với cholesterol và một nhóm protein đặc hiệu tạo nên phức lipoprotein là chylomicron. Đây là dạng hòa tan trong nước nên dễ vận chuyển ở dịch lâm ba vào máu. Một phần rất nhỏ [10-15%] mỡ và acid béo có phân tử lượng nhỏ đi vào tĩnh mạch.

Từ ống lâm ba cụt đi theo con đường lâm ba, lên lâm ba ngực rồi đổ vào hệ tuần hoàn về gan và các mô mỡ. Bằng phương pháp nguyên tử đánh dấu, người ta thấy rằng bất cứ mỡ nào trước khi sử dụng vào các nhu cầu của cơ thể đều qua giai đoạn tích lũy 3-5 ngày. Từ mô mỡ, acid béo và glycerol được giải phóng nhờ tác dụng của enzyme lipase đặc thù của mô. Enzyme này chịu tác động điều tiết của nhiều loại hormone. Các acid béo và glycerol từ mô mỡ được vận chuyển dưới dạng liên kết albumin và một phần -globulin trong máu đến các mô bào cần sử dụng [dạng lipoprotein có tỉ trọng cao HDL và tỉ trọng thấp LDL]. Cơ quan sử dụng acid béo nhiều nhất là gan và một phần là cơ tim.

9.1.3 Vai trò của gan trong quá trình tiêu hóa và hấp thu lipid

Trong cơ thể động vật, gan đóng vai trò quan trọng trong quá trình tiêu hóa và hấp thu lipid. Gan sản sinh acid mật, nhũ tương hóa mỡ và hoạt hóa lipase. Nếu quá trình tiết mật kém, sự tiêu hóa và hấp thu mỡ sẽ bị đình trệ. Hầu hết các mô bào của cơ thể động vật có khả năng dùng mỡ vào nhu cầu năng lượng, nhưng chủ yếu dưới các sản phẩm của mỡ đã được chế biến ở gan.

Hàng ngày có một lượng mỡ nhất định được chuyển từ các mô dự trữ về gan và được sơ chế ở gan trước khi vận chuyển đến các mô bào khác sử dụng. Trường hợp cơ thể thiếu carbohydrate do dinh dưỡng, trạng thái sinh lý hoặc bệnh lý, ... thì lượng mỡ ở gan tăng lên rõ rệt. Nếu tế bào gan không hoạt động oxy hóa tốt do các nguyên nhân bệnh lý, mỡ sẽ ứ đọng ở gan gây tình trạng gan nhiễm mỡ.

9.2 Sự phân giải lipid

Phân giải lipid là sự thủy phân các liên kết ester, giải phóng các hợp phần. Sau đó chúng có thể bị oxy hóa đến CO2, H2O và giải phóng năng lượng hoặc tham gia vào quá trình sinh tổng hợp các chất khác trong cơ thể.

9.2.1 Sự thủy phân lipid đơn giản

Đại diện điển hình của lipid đơn giản là triacylglycerol hay còn gọi là lipid trung tính. Chúng dễ dàng bị thủy phân do tác động của enzyme lipase tạo thành glycerol và acid béo. Quá trình thủy phân triacylglycerol diễn ra như sau:

Lipase rất phổ biến trong cơ thể động vật và thực vật. Ở hạt cây có dầu giai đoạn nảy mầm hàm lượng lipase tăng cao. Ở động vật, lipase được hoạt hóa và lipid được nhũ tương bởi acid mật, vì vậy quá trình này xảy ra nhanh.

9.2.2 Sự thủy phân glycerophospholipid

Phospholipid gồm nhiều loại như phosphatidylcholine, phosphatidyl serine, phosphatidyl ethanolamine, … Các enzyme tham gia thủy phân các liên kết ester gồm: phospholipase A, phospholipase B, phospholipase C, phospholipase D và lysophospholipase. Tác dụng của các enzyme được thể hiện qua hình 9.2.

Sản phẩm chủ yếu của sự thủy phân lipid ở động vật là acid béo và glycerol. Albumin huyết thanh tham gia vận chuyển acid béo đến tế bào. Ngoài ra một lượng nhỏ triglycerid được đưa vào tế bào dưới tác động của enzyme lipoprotein-lipase trong huyết tương hay trong mô mỡ, nó cũng sẽ phân giải tạo thành glycerol và acid béo.

9.2.3 Sự phân giải glycerol

Glycerol là sản phẩm dễ chuyển hóa trong cơ thể. Glycerol cung cấp khoảng 5% năng lượng do quá trình oxy hóa. Ở gan và một số cơ quan khác, glycerol được tạo thành glycerol-3-phosphate nhờ enzyme glycerol-kinase xúc tác. Sau đó nó bị oxy hóa thành glyceraldehyde-3-phosphate. Sự chuyển hóa của chất này tiếp theo có thể xảy ra theo hai hướng: tiếp tục bị oxy hóa trong phản ứng đường phân và chu trình Krebs để tạo thành CO2, H2O và năng lượng hoặc bằng các phản ứng ngược với sự đường phân để tổng hợp nên carbohydrate.

9.2.4 Sự oxy hóa acid béo

Acid béo sau khi tách khỏi albumin sẽ khuyếch tán vào tế bào chất của tế bào ở những mô có nhu cầu. Acid béo không thể tự vận chuyển trực tiếp vào ti thể để tham gia quá trình oxy hóa, mà phải được hoạt hóa. Quá trình hoạt hóa acid béo gồm 3 phản ứng [hình 9.3 và 9.4]:

1] Acid béo biến đổi thành acyl-CoA nhờ enzyme acyl-CoA synthetase nằm ở màng ngoài ti thể xúc tác:

Acid béo + CoA + ATP  Acyl-CoA + AMP + 2Pi

[Go = -32,5 KJ/mol]

2] Acyl-CoA gắn lên chất mang carnitine và được chuyển vào bên trong chất nền [matrix] của ti thể nhờ hệ enzyme carnitine acyltransferase I nằm ở màng giữa của ti thể.

3] Acyl-carnitine chuyển gốc acyl sang CoA nằm bên trong ti thể nhờ enzyme carnitine acyltransferase II xúc tác để hình thành acyl-CoA.

9.2.4.1 Quá trình -oxy hóa acid béo no [bão hòa] có số carbon chẵn

Công trình nghiên cứu của F. Knoop người Đức [1904] là cơ sở đầu tiên về cơ chế của quá trình oxy hóa acid béo. Ngoài quá trình -oxy hóa còn một số quá trình oxy hóa acid béo khác như quá trình -oxy hóa, v.v… nhưng những quá trình này không chủ yếu. Ở gan hệ thống enzyme oxy hóa acid béo hoạt động rất mạnh. Quá trình -oxy hóa acid béo trong ti thể gồm 4 phản ứng:

1] Phản ứng khử hydro tạo liên kết đôi giữa 2 nguyên tử carbon ở vị trí  và  [C-2 và C-3] tạo enoyl-CoA. Phản ứng do enzyme acyl-CoA dehydrogenase xúc tác với sự tham gia của FAD.

2] Phản ứng hydrate hóa gắn H2O vào liên kết đôi tạo ra -hydroxyacyl-CoA được xúc tác bởi enzyme enoyl-CoA hydratase.

3] -hydroxy acyl-CoA bị khử hydro do enzyme -hydroxy acyl-CoA dehydrogenase xúc tác tạo ra -keto acyl-CoA và biến đổi NAD+ thành NADH.

4] Phản ứng tách acetyl-CoA và tạo acyl-CoA mới ngắn hơn 2 nguyên tử C được xúc tác bởi enzyme acyl-CoA acetyltransferase còn gọi là thiolase [hình 9.5].

Quá trình trên được lặp lại, acid béo bị cắt ngắn dần thành các acetyl CoA. Một vòng quay, tế bào thu được 2 cặp H+: 1 cặp cho FAD và 1 cặp cho NAD+ và 1 phân tử acetyl-CoA.

Quá trình -oxy hóa xảy ra bên trong ti thể. Các phân tử acetyl-CoA được tạo thành sẽ được sử dụng trong quá trình đồng hóa như sinh tổng hợp acid béo và các dẫn xuất của lipid, là nguồn để tạo các chất ketone hoặc bị oxy hóa hoàn toàn qua chu trình Krebs.

Quá trình -oxy hóa palmityl-CoA có 16 C tế bào thu được nguồn năng lượng như sau: có 7 vòng quay tạo ra 7 FADH2, 7 NADH2 và có 8 phân tử acetyl CoA.

7 FADH2  7 x 2 ATP = 14 ATP

7 NADH2  7 x 3 ATP = 21 ATP

8 phân tử acetyl-CoA đi vào vòng Krebs tạo ra 12ATP x 8 = 96 ATP

Tổng cộng : 14 ATP + 21 ATP + 96 ATP = 131 ATP

Trừ 1ATP dùng để hoạt hóa acid béo ban đầu còn thu được 130ATP.

Có thể tính năng lượng giải phóng khi oxy hóa hoàn toàn 1 phân tử acid béo có số nguyên tử carbon chẵn n như sau: Số vòng -oxyhóa là

. Quá trình  oxy hóa tạo ra FADH2 và NADH2. Chúng bị oxy hóa nhờ hệ thống vận chuyển điện tử, sẽ tạo ra tương ứng với 2 và 3 phân tử ATP. Tổng cộng thu được 5 ATP cho 1 vòng xoắn. Số phân tử acetyl-CoA là

, acetyl-CoA sau đó bị oxy hóa bởi chu trình Krebs tạo ra 12 ATP. Số ATP tiêu tốn để hoạt hóa acid béo ban đầu là 1 ATP.

Như vậy, ta có thể tính năng lượng sinh ra theo công thức như sau:

A=  [

 +

A: Số năng lượng tính bằng ATP

Hiệu suất năng lượng tính trên nguyên tử carbon trong quá trình oxy hóa acid béo là 8 ATP [130:16], còn trong quá trình oxy hóa glucose chỉ có 6 ATP [38:6]. Như vậy khi phân giải 1 phân tử triglycerid sẽ cung cấp cho tế bào một số năng lượng rất lớn.

9.2.4.2 Sự oxy hóa các acid béo không no [không bão hòa]

Đối với các acid béo có một hoặc nhiều liên kết đôi như oleic acid, linoleic acid thì quá trình -oxy hóa diễn ra bình thường, các phân tử acetyl-CoA được tách dần ra cho tới gần vị trí nối đôi [liên kết đôi]. Nếu liên kết đôi nằm đúng vị trí cacbon  -  thì quá trình tiếp tục xảy ra. Nếu liên kết đôi không đúng vị trí carbon - thì enzyme enoyl-CoA isomerase sẽ xúc tác để đẩy liên kết đôi về đúng vị trí.

Nếu là đồng phân dạng cis, sẽ nhờ sự xúc tác của enzyme -hydroxyacyl epimerase nhằm chuyển sang đồng phân dạng trans để thích ứng với hệ thống enzyme -oxy hóa.

9.2.4.3 Sự oxy hóa các acid béo có số carbon lẻ

Đa số các acid béo trong tự nhiên có số C chẵn. Tuy nhiên ở một số thực vật và một số động vật biển còn có acid béo có số C lẻ. Ngoài ra ở dạ cỏ của động vật nhai lại cũng luôn có sự hình thành propionic acid. Đối với acid béo có số C lẻ, các sản phẩm tạo ra trong quá trình oxy hóa là acetyl-CoA, trừ sản phẩm cuối cùng chứa 3 carbon là propionic acid. Quá trình oxy hóa propionic acid cần thêm 3 phản ứng [hình 9.6] sau:

1] Carboxyl hóa propionyl-CoA tạo ra D-methylmalonyl-CoA nhờ propionyl-CoA carboxylase xúc tác.

2] Đồng phân hóa methylmalonyl-CoA nhờ enzyme methyl malonyl-CoA epimerase xúc tác tạo ra L-methyl malonyl-CoA.

3] Tái sắp xếp nhóm chức trong phân tử L-methyl malonyl-CoA nhờ enzyme methylmalonyl-CoA mutase chứa coenzyme B12 xúc tác tạo ra succinyl-CoA, chất trao đổi trung gian của chu trình Krebs.

9.2.4.4 Sự hình thành và chuyển hóa thể ketone

Ở động vật, trong quá trình -oxy hóa acid béo, acetyl-CoA được tạo ra rất nhiều. Tế bào gan chỉ sử dụng một phần nhỏ acetyl-CoA cho nhu cầu của mình cho nên phần lớn acetyl-CoA được đưa đến các mô bào khác để sử dụng. Thể ketone được hình thành ở tế bào gan là dạng chuyển vận trung gian của acetyl-CoA.

Quá trình tạo ra thể ketone [hình 9.7] có thể tóm tắt như sau: acetoacetyl-CoA hình thành từ 2 phân tử acetyl-CoA nhờ enzyme thiolase xúc tác sẽ trùng ngưng tiếp với acetyl-CoA thứ 3 nhờ enzyme -hydroxy--methylglutaryl-CoA synthase [HMG-CoA synthase] xúc tác nhằm tạo ra -hydroxy--methylglutaryl-CoA [HMG-CoA]. Tiếp theo HMG-CoA bị phân giải thành acetyl-CoA và acetoacetate nhờ enzyme HMG-CoA lyase xúc tác. Acetoacetate sau đó dễ dàng bị khử thành -hydroxy butyrate nhờ enzyme -hydroxy butyrate dehydrogenase. Mặt khác acetoacetate cũng tạo ra acetone do enzyme acetoacetate decarboxylase xúc tác.

Ở não bộ, bình thường glucose là nguồn cung cấp năng lượng chủ yếu. Tuy nhiên khi cơ thể bị đói, não bộ chuyển sang sử dụng năng lượng của acetoacetate và -hydroxy butyrate. Khoảng 70-80% thể ketone trong máu tồn tại ở dạng -hydroxybutyric acid.

Như vậy, thể ketone là những chất chuyển hóa bình thường của cơ thể động vật. Thể ketone chỉ trở nên là nguồn gốc gây chứng toan huyết khi được sản sinh quá nhiều do sự điều tiết trong chuyển hóa carbohydrate và lipid bị rối loạn. Để điều trị và phòng ngừa chứng ketosis, trong chăn nuôi gia súc sữa cao sản cần lưu ý thiết lập khẩu phần có hàm lượng carbohydrate thích hợp. Ở thực vật [hạt có dầu] và vi sinh vật, acetyl-CoA có thể được chuyển hóa qua vòng glyoxylate, một dạng cải tiến của vòng Krebs, để tạo ra các sản phẩm carbohydrate cần cho quá trình nảy mầm.

9.3 Sinh tổng hợp lipid

Quá trình sinh tổng hợp lipid là cơ chế dự trữ năng lượng ở sinh vật. Ở gia súc hầu hết các mô bào đều có khả năng tổng hợp lipid. Một số cơ quan có khả năng tiến hành mạnh mẽ và thường xuyên quá trình sinh tổng hợp lipid như gan, mô mỡ và cơ. Nguyên liệu chính mà cơ thể dùng để tổng hợp mỡ là glyceraldehyde-3 phosphate, phosphodixyacetone và acetyl-CoA. Ở động vật nhai lại, phần lớn mỡ ở các mô nhất là mỡ sữa được tổng hợp từ các acid béo có phân tử nhỏ như acetate, propionate [do quá trình phân giải carbohydrate ở dạ cỏ cung cấp]. Khoảng 50% mỡ của sữa bò được tạo thành từ các acetate, các acetate này có nguồn gốc chủ yếu từ dạ cỏ sau đó đi vào máu và tới tuyến sữa. Lợn là loài có khả năng rất lớn trong việc chuyển carbohydrate thức ăn thành lipid của cơ thể.

9.3.1 Tổng hợp glycerol

Để tham gia vào quá trình tổng hợp chất béo, glycerol ở dạng glycerophosphate. Glycerophosphate được tạo ra từ quá trình đường phân.

9.3.2 Sinh tổng hợp acid béo bão hòa

9.3.2.1 Tổng hợp acid béo ở bào tương

Quá trình tổng hợp acid béo bão hòa từ acetyl-CoA thường xảy ra ở tất cả các tổ chức nhưng đặc biệt rất mạnh ở trong gan, mô mỡ, ruột và tuyến vú của các loài động vật bậc cao. Quá trình phân giải và tổng hợp acid béo được xúc tác bởi những enzyme khác nhau và xảy ra ở những vị trí khác nhau trong tế bào. Tiền chất thực sự của quá trình tổng hợp acid béo là malonyl-CoA.

Acid béo được tổng hợp từ các phân tử acetyl-CoA nhờ multienzyme tổng hợp acid béo [fatty acid synthase] hiện diện trong tế bào. Multienzyme này được chiết xuất từ E. coli gồm 6 enzyme bố trí liên hoàn với nhau xung quanh protein không có hoạt tính enzyme nằm chính giữa gắn pantothen đóng vai trò là chất mang acyl có phân tử lượng [MW] khoảng 8.860 Dal, Lynen gọi protein này là protein mang nhóm acyl [Acyl-Carier-Protein, viết tắt là ACP]. Phức enzyme này có bảy trung tâm hoạt động nằm trên 7 chuỗi polypeptide khác nhau, chứa 2 nhóm -SH, một nhóm thuộc ACP, nhóm kia thuộc cystein của enzyme -ketoacyl- ACP synthase.

ACP chứa 4’phosphopantotheine giống như bộ phận hoạt động của CoA. Bộ phận này gắn vào apoprotein bằng liên kết đồng hóa trị với gốc serine. Gốc acyl trung gian được móc vào ACP qua liên kết thioester với nhóm -SH của pantetheine. Gốc 4'phosphopantetheine hoạt động như một "cánh tay di động" vận chuyển gốc acyl từ enzyme này đến enzyme khác.

Protein của phức hệ đa enzyme được chiết xuất từ E. coli có thành phần và chức năng như sau:

Thành phần

Page 3

Hệ thống enzyme nói trên cũng xúc tác quá trình kéo dài mạch carbon của những acid béo không bão hòa.

9.3.3 Tổng hợp acid béo không bão hòa

9.3.3.1 Sự hình thành các acid béo không bão hòa có một liên kết đôi

Palmitoyl + NADPH + H+ + O2 Palmitoleoyl-CoA + NADP+ + 2H2O

Đối với nhiều sinh vật kị khí [vi khuẩn E. coli] cơ chế tổng hợp này hoàn toàn khác và quá trình phản ứng không dùng oxy phân tử.

- Linoleic acid 18 C: 2 [∆9,12]

- Linolenic acid 18 C:3 [∆9,12,15]

- Arachidonic acid 20 C:4 [∆5,8,11,14]

9.3.4.1 Tổng hợp triglycerid

9.3.4.2 Tổng hợp sterid

Khoảng 50% lượng cholesterol được bài xuất theo phân dưới dạng acid mật, phần còn lại của cholesterol được đào thải dưới dạng steroid trung tính.

1] Thành lập mevalonate từ acetate

2] Mevalonate biến đổi thành 2 dạng isoprene hoạt hóa

3] Trùng ngưng 6 phân tử isoprene hoạt hóa thành squalene.

4] Phân tử squalene được vòng hóa và trùng ngưng thành nhân steroid.

9.4 Ảnh hưởng của hormone đối với sự chuyển hóa mô mỡ

Tác động của hormone prolactine trên mô mỡ tương tự như tác động của insulin nhưng cần với hàm lượng cao hơn.

Tài liệu tham khảo

Tài liệu tiếng Việt

Nguyễn Hữu Chấn, Nguyễn Thị Hà, Nguyễn Nghiêm Luật, Hoàng Bích Ngọc, Vũ Thị Phương, 2001. Hóa sinh. Nhà xuất bản Y học, Hà Nội.

Phạm Thị Trân Châu và Trần thị Áng, 2003. Hóa sinh học. NXB Giáo dục.

Nguyễn Đình Huyên và Mai Xuân Lương, 1987. Sinh hóa học hiện đại theo sơ đồ. NXB Y học, Tp. Hồ Chí Minh.

Nguyễn Tiến Thắng và Nguyễn Đình Huyên, 1998. Giáo trình sinh hóa hiện đại. NXB giáo dục.

Hoàng Văn Tiến, Lê Khắc Thận và Lê Doãn Diên, 1997. Sinh hóa học với cơ sở khoa học công nghệ gen. Giáo trình cao học nông nghiệp. NXB Nông nghiệp, Hà Nội.

Tài liệu tiếng Anh

Church D. C, Pond W. G., 1993. Basis animal nutrition and feeding. Third edition, Worth publishers, New York.

Fuller M. F., 1997. Pig nutrition and feeding. Proceeding of a seminar on pig production in tropical and sub-tropical regions, China.

Lehninger A. L, Nelson, D. L, Cox M. M., 1993. Principles of Biochemistry. Second edition, Worth publishers, New York.

McDonald P., Edwards R.A., Greenhagh J. F. D., Morgan C. A., 2002. Animal Nutrition. Longman Scientific Technical. Sixth edition.

Nelson D. L., Cox M. M., 2005. Lehninger Principles of Biochemistry, Fourth Edition. Freeman and Company, New York, USA.

Stryer L., 1995. Biochemistry. W.H. Freeman and company, SanFrancisco. 4th Edition.

Tom Brody, 1999. Nutritional Biochemistry. Second edition, Academic Press, New York.

CHUYỂN HÓA PROTEIN

Nguyễn Thị Lộc

10.1 Đặc điểm của chuyển hóa amino acid và protein ở động vật bậc cao - Khái niệm về cân bằng nitơ

10.1.1 Đặc điểm của chuyển hóa amino acid và protein ở động vật

10.1.1.1 Sinh tổng hợp protein theo nguyên tắc "Tất cả hoặc không có gì cả"

10.1.1.2 Tích lũy protein có giới hạn

Loài động vật Lượng protein tối thiểu

[g/kg thể trọng/ngày đêm]

Cừu 1,00

Lợn 1,00

Ngựa 0,70-1,42

Bò cạn sữa 0,60-0,70

Bò đang tiết sữa 1,00

Người 1,00-1,50

10.2 Tiêu hóa và hấp thu protein ở động vật

10.2.1 Tiêu hóa và hấp thu protein ở động vật dạ dày đơn

10.2.1.1 Tiêu hóa protein trong dạ dày

10.2.1.2 Sự tiêu hóa protein ở ruột non

10.2.1.3 Chuyển hóa protein trong ruột già

* Tiêu hóa protein ở lợn con

10.2.2 Tiêu hóa protein ở động vật nhai lại

10.3.1 Phương thức khử amine

- Khử amine bằng cách oxy hóa của L-glutamate

Enzyme này là phức hợp gồm 6 tiểu đơn vị hoạt động chịu sự điều hòa của nồng độ ADP [hoạt hóa] và nồng độ GTP [ức chế].

- Khử amine bằng cách oxy hóa của các amino acid khác

Trong cơ thể động vật, quá trình khử amine bằng cách oxy hóa các L-amino acid khác xảy ra ở bào tương nhờ enzyme L-amino acid oxydase có CoE là FMN theo phản ứng:

10.3.2 Phương thức chuyển amin

PP + Amino acid I  PPA + Keto-acid I

PPA + Keto-acid II  PP + Amino acid II

Chia sẻ với bạn bè của bạn:

Page 4

Trong mô bào động vật các amino acid sau đây tham gia vào phản ứng khử carboxyl: His, Tyr, Glu, 5 oxy tryptophan, Cys và 3,4-dihydroxy phenylalanine. Các amine hữu cơ có vai trò sinh học nhất định trong cơ thể.

Ví dụ: histamine được hình thành từ histidine, chất này có tác dụng giãn mạch, co cơ trơn và tăng tính thấm của thành mạch.

Ở não có -amino butyrate là chất hình thành từ glutamate, có tác dụng điều hòa hoạt động của hệ thần kinh.

Các amine sau khi hết tác dụng sẽ được phân giải theo con đường khử amine bằng cách oxy hóa nhờ enzyme amino-oxydase để tạo NH4+ và aldehyde. Các aldehyde bị oxy hóa tạo thành carboxylic acid rồi tiếp tục thoái hóa đến CO2 và H2O.

10.4 Con đường khử độc NH4+ trong mô bào động vật

NH4+ là chất độc nội sinh đối với cơ thể động vật. Hiệu ứng độc lớn nhất của NH4+ trong não bao gồm sự thay đổi pH của tế bào và làm cạn kiệt cơ chất của chu trình Krebs. NH4+ độc đối với các tổ chức cho nên nó phải được biến đổi thành chất không độc trước khi được đưa vào máu để tới gan hoặc thận. NH4+ gắn với glutamate thành glutamine không độc và nó ở dạng trung tính cho nên qua màng tế bào dễ dàng. Ở hầu hết các tổ chức glutamine hình thành và được đưa vào máu rồi về gan và thận, glutamine được đưa vào ti thể nơi có enzyme glutaminase hoạt động thủy phân glutamine thành glutamate và NH4+. Tùy thuộc môi trường sống và cấu tạo cơ thể mà động vật bài tiết dưới một trong 3 phương thức:

- Ở động vật có vú và người là những đối tượng cơ thể có cấu tạo phức tạp, hàm lượng nước trong cơ thể đủ, NH4+ được dùng để tổng hợp urea tại gan rồi đào thải ra ngoài qua nước tiểu.

- Ở chim và động vật đẻ trứng, là những đối tượng có môi trường sống hay quá trình phát triển bào thai trong điều kiện hiếm nước. NH4+ được tổng hợp thành uric acid và đào thải ra ngoài.

- Ở một số động vật sống dưới nước như cua, tôm, cá, ... thì NH4+ đào thải trực tiếp vào môi trường xung quanh.

Chi tiết về một số con đường giải độc NH4+ của cơ thể động vật như sau:

10.4.1 Amid hóa các dicarboxylic amino acid

Phản ứng này diễn ra trong gan và não động vật được xúc tác bởi enzyme glutamin synthetase [M = 350.000].

Glutamate + NH3 + ATP Glutamine + ADP+ Pi

Mg2+ hoặc Mn2+

Glutamine không chỉ được sử dụng để tổng hợp protein mà còn là chất nhường nhóm amin cho nhiều hợp chất khác. Ví dụ: glutamine nhường nhóm amin trong sự tổng hợp các nucleotide, amine hóa UTP thành CTP, tổng hợp carbamyl phosphate, asparagine, glutamate, ... Bởi vậy glutamine có vị trí trung tâm trong quá trình trao đổi nitơ.

Khi đến gan hoặc thận, glutamine có thể nhả nhóm NH2 dưới tác dụng của enzyme glutaminase, hoặc nhờ transaminase chuyển nhóm amine. NH3 còn được tham gia vào quá trình amine hóa -ketoglutarate cho nên khi hàm lượng NH3 cao trong mô sẽ ảnh hưởng xấu đến hoạt động của chu trình Krebs, vì mất đi nhiều -ketoglutarate.

10.4.2 Quá trình sinh tổng hợp và bài tiết urea

Ở động vật có xương sống bao gồm cả loài có vú, trong tế bào gan NH4+ được biến đổi thành urea qua chu trình urea. Chu trình này được xác lập từ năm 1932 bởi Hans Krebs và Kurt Henseleit. Trong cơ thể động vật, gan là cơ quan tổng hợp urea. Urea có trong máu động vật với hàm lượng thay đổi từ 5-40 mg%. Ở mô thực vật cũng có hệ thống enzyme tổng hợp urea và cả enzyme urease để thủy phân urea. Quá trình tổng hợp urea gồm hai bước như sau:

Bước1: Sự tổng hợp carbamyl phosphate được xúc tác bởi enzyme carbamyl phosphate synthetase là con đường trao đổi NH4+ phổ biến ở động vật, vi sinh vật và thực vật. Tùy cơ thể, chất cho nitơ có thể là NH3 hay glutamine. NH4+ vào ty thể tế bào gan và được sử dụng trực tiếp cùng với HCO3-, hình thành từ quá trình hô hấp tế bào để tổng hợp thành carbamyl phosphate trong matrix của ti thể với sự tham gia của ATP và được xúc tác bởi carbamyl phosphate synthetase.

Bước 2: Thực hiện các phản ứng của chu trình urea gồm 4 phản ứng như sau:

- Tạo citrulline: carbamyl phosphate kết hợp với ornithine tạo ra citrulline, do transferase đặc hiệu xúc tác. Phosphate được giải phóng ra. Citrulline hình thành sẽ được tách ra khỏi ti thể vào bào tương.

- Tạo argininosucinate: Citrulline kết hợp với aspartate nhờ argininosuccinate synthetase của bào tương tạo ra argininosuccinate. Bước này cần năng lượng từ sự thủy phân ATP.

- Tạo arginine: Argininosuccinate được phân cắt nhờ enzyme argininosuccinate lyase giải phóng arginine và fumarate. Fumarate đi vào chu trình Krebs.

- Phản ứng cuối cùng của chu trình ornithine: Arginine bị thủy phân giải phóng urea và ornithine dưới tác dụng của enzyme arginase của bào tương. Ornithin sau khi được hình thành lại tiếp tục được vận chuyển vào ti thể để thực hiện vòng khác của chu trình ornithine.

Urea được tổng hợp chủ yếu ở gan rồi vào máu đến thận để thải ra ngoài theo nước tiểu, một phần theo mồ hôi và phần nhỏ theo nước bọt. Nồng độ urea máu rất có ý nghĩa trong chẩn đoán và tiên lượng các bệnh lý về thận, gan, các bệnh nhiễm trùng nhiễm độc, ... Sự biến động của protein trong khẩu phần và sự tăng phân giải protein nội bào kéo theo sự biến động lượng urea đào thải. Điều hòa sinh tổng hợp urea theo loài động vật là sự điều hòa sinh tổng hợp lượng enzyme của chu trình ornithine và carbamyl phosphate synthetase. Các enzyme này được tổng hợp ở động vật ăn thịt với lượng cao hơn hẳn động vật ăn cỏ. Điều hòa sinh tổng hợp urea trong thời gian ngắn là điều hòa dị lập thể, enzyme carbamyl phosphate synthetase được điều hòa bởi N-acetyl glutamate.

Bằng các thí nghiệm người ta thấy rằng để tiết nitơ dạng urea từ NH4+, các động vật loài có xương sống mất khoảng 15% năng lượng của sự chuyển hóa amino acid. Sự mất mát này được bù lại ở loài động vật nhai lại chúng chuyển urea từ máu đến tuyến nước bọt và sau đó được đưa đến dạ cỏ và tại đây urea được sử dụng như là nguồn NH4+ để tổng hợp amino acid cho cơ thể. Ở ngựa có thể dùng urea làm thức ăn chứa nitơ, ở lạc đà urea cũng được quay vòng như ở trâu bò. Điều này là sự thích nghi đối với các động vật ăn thức ăn nghèo protein, đặc biệt ở lạc đà, sự giảm đào thải urea qua nước tiểu kéo theo sự giảm đào thải nước giúp lạc đà sống thiếu nước trên sa mạc.

10.5 Sinh tổng hợp amino acid

Các amino acid có vai trò chủ chốt trong sự trao đổi chất của tất cả mọi sinh vật, trước hết vì chúng là cấu tử của protein. Khả năng tổng hợp 20 loại amino acid ở các cơ thể sinh vật có sự khác nhau. Nguyên liệu để tổng hợp amino acid cần NH4+ và khung carbon. Cơ thể thực vật thượng đẳng có khả năng tổng hợp được tất cả các amino acid cần cho tổng hợp protein từ nguồn nitơ là N2, nitrite hoặc nitrate. Ở cây họ đậu, vi khuẩn trong các nốt sần ở rễ có khả năng tiếp nhận nitơ phân tử của khí quyển thành NH4+ để dùng cho việc tổng hợp các amino acid.

Các vi sinh vật có khả năng khác nhau trong việc tổng hợp các amino acid, ví dụ: vi khuẩn Leuconostic mesenteroid chỉ có thể phát triển khi được cung cấp cho nó 16 loại amino acid, trong khi đó E. coli lại có khả năng tổng hợp được tất cả các loại amino acid từ NH4+. Phần lớn vi sinh vật dùng NH4+ làm nguồn nitơ.

Khác với thực vật và vi sinh vật, động vật không có khả năng tổng hợp amino acid từ các hợp chất nitơ đơn giản. Trong cơ thể động vật, những amino acid thay thế có thể được tạo ra trong quá trình chuyển hóa từ các amino acid khác hoặc từ hợp chất chứa nhóm amine, ngược lại những amino acid không thay thế thì cơ thể không tự tổng hợp được, chúng nhất thiết phải đưa vào cơ thể bằng thức ăn.

10.5.1 Quá trình hình thành NH4+ từ N2, nitrite và nitrate

Các vi sinh vật và thực vật thượng đẳng có khả năng cố định nitơ không khí và các dạng nitơ vô cơ khác thành dạng nitơ hữu cơ là NH4+ nhờ sự xúc tác của enzyme nitrogenase. Sản phẩm NH4+ sẽ chuyển vào các phân tử sinh học qua glutamate và glutamine.

10.5.1.1 Quá trình khử nitrate

Nitrate được rễ cây họ đậu hấp thu và bị khử thành nitrite dưới tác dụng của enzyme nitrate reductase, sau đó enzyme nitrite reductase xúc tác chuyển thành NH4+. Quá trình này được diễn ra như sau:

Quá trình quang hợp và hô hấp của cây cung cấp cơ chất khử và năng lượng cho hoạt động của các enzyme nói trên. Để khử nitrate cần sự có mặt của các ion kim loại như molypden, đồng, sắt, magiê, mangan, ...

10.5.1.2 Quá trình cố định nitơ phân tử

Ở cây họ đậu, ngoài đường hướng khử nitrate, NH4+ còn được hình thành bằng cách cố định nitơ phân tử trong không khí nhờ nốt sần rễ cây.

Có thể biểu diễn quá trình cố định nitơ trong hệ thống sinh học bằng phương trình sau:

Sự cố định nitơ trong hệ thống sinh học xảy ra ở điều kiện sinh lý bình thường có sử dụng năng lượng từ hợp chất cao năng ATP và được xúc tác bởi phức hợp enzyme nitrogenase. Phức hợp enzyme này gồm hai phần có hoạt tính xúc tác là dinitrogenase reductase và dinitrogenase. Các điện tử được vận chuyển từ pyruvate đến cho dinitrogenase qua feredoxin và dinitrogenase reductase, cuối cùng đến N2 và 2H+.

Hiện nay, công nghệ sinh học đang tập trung vào hướng sử dụng kỹ thuật tái tổ hợp DNA nhằm chuyển gene cố định đạm vào vi khuẩn không cố định đạm hoặc vào cơ thể thực vật bậc cao.

10.5.2 Sự vận chuyển NH4+ vào các hợp chất sinh học

NH4+ được hình thành sẽ chuyển vào các hợp chất sinh học chứa nitơ thông qua glutamate và glutamine. Trước hết NH4+ gắn vào glutamate tạo thành glutamine nhờ enzyme xúc tác là glutamine synthetase:

Sau đó glutamine cung cấp NH4+ cho -ketoglutarate để tạo thành glutamate do enzyme glutamate synthase xúc tác:

Phản ứng chung sẽ là:

Glutamine synthetase là phức enzyme điều hòa phức tạp nhất được biết cho đến nay. Enzyme này điều hòa theo cơ chế điều hòa dị lập thể và điều hòa thông qua việc tạo liên kết hóa trị. Nó là đại phân tử protein cấu tạo từ 12 tiểu đơn vị [mỗi tiểu đơn vị có MW 50.000 Da] có 8 trung tâm gắn các tác nhân điều hòa ức chế và 1 trung tâm hoạt động.

Ở động vật, glutamate synthase không được tìm thấy, nhưng hàm lượng glutamate luôn được giữ ổn định nhờ quá trình chuyển nhóm amine cho -ketoglutarate. Ngoài ra, một phần glutamate còn được tạo thành thông qua phản ứng gắn trực tiếp NH4+ với -ketoglutarate nhờ sự xúc tác của glutamate dehydrogenase.

Như vậy, trong cơ thể động vật sau khi nhóm NH4+ được đưa vào các phân tử sinh học ở dưới dạng nhóm amine của glutamate hoặc glutamine, các nhóm amine này sẽ tham gia vào các quá trình sinh tổng hợp các amino acid và các hợp chất hữu cơ chứa nitơ khác

10.5.3 Sinh tổng hợp amino acid

Quá trình sinh tổng hợp amino acid là quá trình gắn nhóm amine vào khung carbon. Khung carbon để tổng hợp amino acid chủ yếu lấy từ các chất trao đổi trung gian của chu trình Krebs, quá trình đường phân và chu trình pentose phosphate. Dựa theo tiền chất tổng hợp ban đầu thì quá trình tổng hợp amino acid được phân thành các nhóm sau:

Nhóm amino acid	Amino acid
nhóm -ketoglutarate	glutamate, glutamine, proline, arginine
nhóm 3-phosphoglycerate	serine, glycine, cysteine
nhóm oxaloacetate	aspartate, asparagine, methionine, threonine, lysine*
nhóm pyruvate	alanine, valine, leucine, isoleucine*
nhóm phosphoenolpyruvate và erythrose 4-phosphate	tryptophan*, phenylalanine, tyrosine
nhóm riboso 5-phosphate	histidine*

[* Aamino acid không thay thế]

Tổng quan sinh tổng hợp amino acid được trình bày ở hình 10.5.

10.5.4 Điều hòa sinh tổng hợp amino acid

Quá trình sinh tổng hợp amino acid được điều hòa theo cơ chế ngược [feedback]. Sản phẩm cuối cùng của quá trình phản ứng sẽ ức chế enzyme xúc tác phản ứng đầu tiên, các enzyme này thường là enzyme dị lập thể và các sản phẩm của quá trình ở nồng độ cao đóng vai trò là các chất ức chế dị lập thể. Ví dụ, sự điều hòa dị lập thể của quá trình sinh tổng hợp isoleucine từ threonine: sản phẩm cuối cùng là isoleucine sẽ ức chế enzyme xúc tác phản ứng đầu tiên là threonine dehydratase.

10.6 Sinh tổng hợp protein

Sinh tổng hợp protein là một trong những vấn đề quan trọng của sinh học hiện đại. Nghiên cứu sinh tổng hợp protein sẽ có ý nghĩa lớn trong công tác phòng trị bệnh cho gia súc, chi phối hoạt động của các sinh vật gây bệnh như vi khuẩn, virus, ký sinh trùng, ... và là cơ sở khoa học cho việc lai tạo những giống gia súc mới, giống cây trồng mới đồng thời là cơ sở cho việc nuôi dưỡng gia súc, gia cầm.

10.6.1 Cơ chế truyền đạt thông tin di truyền của gene

10.6.1.1 Luận thuyết trung tâm

Năm 1958, Crick đã đưa ra "luận thuyết trung tâm" của sinh học phân tử nhằm giải thích cơ chế truyền đạt thông tin di truyền của gene. Theo thuyết này thì thông tin di truyền được chứa trong nucleic acid có thể truyền theo hướng nucleic acid đến protein mà không thể truyền theo hướng ngược lại từ protein đến nucleic acid. Mặt khác thông tin di truyền được sao chép trên mRNA chỉ có thể dùng để dịch ra protein mà không thể quay trở lại dùng làm vật liệu tổng hợp nên gene được.

Năm 1970, Temin và Baltimore đã khám phá ra quá trình sao mã ngược nhờ enzyme trascriptase ngược [DNA polymerase] ở virus. Kết quả cho thấy khi xâm nhập vào tế bào chủ, gene của virus gồm một chuỗi RNA được dùng làm khuôn để tổng hợp DNA hoặc tái tạo lại RNA bằng chính các nguyên liệu và các enzyme của tế bào chủ. Mặc dầu sản phẩm của sự sao mã ngược cũng như sự tái tạo RNA của virus không được tế bào sử dụng nhưng điều đó cũng chỉ ra rằng: nếu có những enzyme thích hợp hoàn toàn có thể truyền hoặc tái tạo lại thông tin giữa các dạng nucleic acid khác nhau và giống nhau. Từ những phát hiện trên, năm 1970 Crick đã bổ sung cho "luận thuyết trung tâm" như sau:

Theo "luận thuyết trung tâm", thông tin của gene chứa trong nucleic acid có thể truyền cho hàng loạt thế hệ. Phổ biến cho hầu hết tế bào là thông tin truyền theo hướng:

10.6.1.2 Vai trò của các dạng nucleic acid trong quá trình sinh tổng hợp protein

- DNA [desoxyribonucleic acid]

Năm 1868, F. Miescher đã phát hiện DNA có ở trong nhân tế bào. Nhưng mãi đến năm 1944 mới được xác định là thông tin di truyền nhờ thí nghiệm của O. T. Avery, C. M. Mac Leod và M. Me. Carty trên phế cầu khuẩn. Mô hình DNA đã được Watson và Crick mô tả năm 1953, qua đó vai trò của nucleic acid trong sinh học được xác định rõ. DNA có trong nhân tế bào là thành phần cơ bản của nhiễm sắc thể, đó là vật chất di truyền của sinh vật. DNA có 2 chức năng quan trọng:

- Chức năng tự tái tạo: Trừ trường hợp đặc biệt khi phân bào giảm nhiễm, mỗi nhiễm sắc thể phải nhân đôi khi tế bào phân chia và mỗi bản sao được chia cho tế bào con. Mô hình xoắn kép cấu trúc DNA cho rằng hai chuỗi DNA tách rời nhau nhờ enzyme endodesoxyribonuclease rồi 2 chuỗi mới được tổng hợp nhờ enzyme DNA polymerase. Kết quả tạo được 2 phân tử DNA giống hệt phân tử ban đầu. Quá trình này được gọi là sự “tổng hợp bán bảo lưu”.

- Chức năng mang thông tin di truyền: Thứ tự sắp xếp của các mononucleotide trên phân tử DNA tương ứng với thứ tự sắp xếp của các amino acid, mỗi một amino acid được mã hóa bằng một mật mã bao gồm bộ ba nucleotide nhất định gọi là “codon” hay “mã”. Chúng đưa tín hiệu di truyền từ DNA sang RNA thông tin [mRNA], từ đó mRNA sẽ liên kết với ribosome để phiên dịch bản mật mã, tổng hợp nên một enzyme hay một loại protein cần thiết cho cơ thể.

- RNA thông tin [messenger RNA, mRNA]

Ở tế bào eukaryote, DNA nằm trong nhân còn RNA có mặt đồng thời cả trong nhân và trong tế bào chất của tế bào và khi quá trình tổng hợp protein bắt đầu thì số lượng RNA cũng gia tăng. Năm 1961, Jacob và Monod đã đưa ra sơ đồ quá trình tổng hợp protein và đặt tên cho RNA truyền thông tin di truyền từ DNA đến ribosome là RNA thông tin. Ở tế bào prokaryote, mRNA có thể mã hóa tổng hợp một chuỗi hoặc một vài chuỗi polypeptide. Trong trường hợp mã hóa một chuỗi polypeptide, mRNA được gọi là monocistronic; khi mã hóa nhiều chuỗi polypeptide, mRNA được gọi là polycistronic. mRNA ở tế bào eukaryote hầu hết là monocistronic. Toàn bộ mã di truyền được nêu ở bảng 10.2 và mã di truyền là chung cho tất cả mọi cơ thể, ngoại trừ có một vài khác biệt nhỏ đối với các loại nguyên sinh [protozoa].

- Có 64 codon cho 20 amino acid.

- Thường có > 1 condon mã hóa cho 1 amino acid cụ thể.

- Các codon UAA, UAG và UGA là các tín hiệu kết thúc gây nên sự kết thúc sinh tổng hợp protein và chuỗi polypeptide tách ra khỏi ribosome.

- Việc bắt đầu chuỗi polypeptide là methionine luôn được mã hóa bởi AUG, codon này cũng mã hóa cho methionine nếu nó ở trong chuỗi.

- Trên mRNA là một loạt các codon liên tiếp nhau, không phủ lên nhau và không cách nhau.

- Thông tin được đọc theo chiều 5’ 3’, cùng chiều với việc sao mã. Codon đầu tiên đặc trưng cho đầu N tận cùng của protein.

Bảng 10.2: Từ điển về các mã di truyền

[Chiều đọc từ 5’ đến 3’ mã mở đầu là AUG]

Vị trí thứ 1 [đầu 5’] Vị trí thứ 2 Vị trí thứ 3 [đầu 3’]

Page 5

10.6.2 Cơ chế sinh tổng hợp protein trên ribosome

10.6.2.1 Trình tự những giai đoạn xảy ra trong quá trình tổng hợp protein

Sinh tổng hợp protein - giai đoạn kết thúc của dòng thông tin di truyền phức tạp hơn rất nhiều so với quá trình sao chép mã [transcription]. Trong quá trình dịch mã có sự tham gia và phối hợp hoạt động của hàng trăm loại phân tử trong phức ribosome.

Việc tổng hợp của tất cả protein đều bắt đầu từ đầu N-tận cùng. Vì việc dịch mã xảy ra theo chiều 5' 3' cho nên codon dịch mã đầu tiên từ đầu 5' tương ứng với amino acid N-tận cùng của protein.

Quá trình sinh tổng hợp protein được chia thành 5 giai đoạn và thể hiện ở bảng 10.3.

Bảng 10.3: Các thành phần cần thiết trong quá trình tổng hợp protein

Giai đoạn	Các thành phần cần thiết ở tế bào không nhân	Các thành phần cần thiết ở tế bào có nhân
1. Hoạt hóa amino acid	20 loại amino acid, 20 loại aminoacyl-tRNA synthetase, tRNA, ATP, Mg++	20 loại amino acid, 20 loại aminoacyl-tRNA synthetase, tRNA, ATP, Mg++
2. Giai đoạn mở đầu	Nfomylmethionyl-tRNA, Mã AUG trên mRNA, ribosome 30S, 50S Các yếu tố mở đầu: IF1, IF2, IF3, GTP, Mg++	Met-tRNA, Mã AUG trên mRNA, ribosome, 40S, 60S Các yếu tố mỡ đầu: eIF2, eIF 4a, eIF 4c, eIF3, eIF5, GTP, Mg++
3. Giai đoạn kéo dài	Ribosome 70 S hoạt động, Aminoacyl-tRNA tương ứng với mã, Yếu tố kéo dài: EF.Tu, EF.Ts, EF.G; peptidyl transferase, GTP, Mg++	Ribosome 80 S hoạt động, Aminoacyl-tRNA tương ứng với mã, Yếu tố kéo dài: eEF1, eEF1, eEF2, peptidyl transferase, GTP, Mg++
4. Giai đoạn kết thúc	Mã kết thúc trên mRNA, Các yếu tố tách rời: RF1, RF2, RF3, ATP	Mã kết thúc trên mRNA, Các yếu tố tách rời: eRF, GTP, peptidyltransferase
5. Cải biến sau dịch mã	Các enzyme đặc biệt và các yếu tố cho sự tách rời của đoạn mở đầu chuỗi polypeptide	Các enzyme đặc biệt và các yếu tố cho sự tách rời của đoạn mở đầu chuỗi polypeptide

* Hoạt hóa amino acid và sự thành lập aminoacyl-tARN

Để lắp ráp các amino acid vào phân tử polypeptide, các amino acid phải được hoạt hóa và gắn vào tRNA tương ứng để hình thành aminoacyl-tRNA, trong đó đầu carboxyl của amino acid được gắn vào vị trí 3’-OH của tRNA nhờ sự xúc tác của enzyme aminoacyl-tRNA synthetase. ATP cung cấp năng lượng cho quá trình này. Giai đoạn này diễn ra qua 2 bước và được thể hiện ở hình 10.8.

Bước 1: Tạo phức aminoacyladenilate

Bước 2: Hợp chất được tạo thành sẽ phân li cho phép amino acid gắn với tRNA bằng liên kết ester tạo bởi nhóm -COOH của amino acid và nhóm 3'OH hoặc 2'-OH của tRNA tạo thành aminoacyl-tRNA để được vận chuyển đến ribosome.

Bước thứ hai có hai khả năng xảy ra với hai loại enzyme aminoacyl-tRNA synthetase khác nhau. Loại 1, chuyển nhóm aminoacyl sang nhóm hydroxyl 2’ của adenylate ở đầu tận 3’ của tRNA rồi chuyển sang nhóm 3’hydroxyl bằng phản ứng chuyển liên kết ester. Loại 1 này chủ yếu xúc tác sự hoạt hóa các amino acid Arg, Cys, Gln, Glu, Ile, Leu, Met, Trp, Tyr, Val.

Loại 2, nhóm aminoacyl chuyển thẳng sang 3’hydroxyl của adenylate ở đầu tận 3’ của tRNA. Loại này xúc tác sự hoạt hóa các amino acid Ala, Asn, Asp, Gly, His, Lys, Phe, Pro, Ser, Thr.

* Giai đoạn khởi đầu tổng hợp chuỗi polypeptide

Sự tổng hợp protein chỉ có thể diễn ra ở ribosome đã được hoạt hóa, nghĩa là các ribosome đã kết hợp với mRNA.

Ở tế bào prokaryote: amino acid mở đầu bao giờ cũng là methionine vốn đã được formyl hóa bởi N10-formyl tetrahydrofolate [FTHF] nhờ enzyme transformylase đặc hiệu.

Ban đầu, ribosome 70S phân ly thành tiểu đơn vị 50S và tiểu đơn vị 30S. Tiếp đến tiểu đơn vị 30S kết hợp với các yếu tố mở đầu IF1, IF2 và IF3 rồi lại kết hợp tiếp với mRNA và với aminoacyl-tRNA mở đầu để tạo thành phức hợp mở đầu. Phức hợp này lại kết hợp với tiểu phần 50S để tạo thành R70S hoạt động. Trong quá trình này, các yếu tố mở đầu IF1, IF2 và IF3 được giải phóng, GTP bị thủy phân thành GDP và phosphate vô cơ [Pi]. Nhờ năng lượng này mà Fmeth-tRNA ở vị trí A chuyển sang vị trí P của ribosome. Còn các yếu tố mở đầu giải phóng để bắt đầu những polypeptide mới. Tại vị trí P, f-Meth-tRNA có đối mã là 3'-UAC-5’ liên kết với mã của methionine là 5'-AUG-3' [Hình 10.9].

Ở tế bào eukaryote: Quá trình tổng hợp chuỗi polypeptide trong tế bào chất có tRNA khởi đầu cũng mang methionine nhưng không được formyl hóa. Trong tế bào eukaryote thứ tự các sự kiện xảy ra như sau:

- Hình thành phức hệ giữa tiểu phần nhỏ 40S của ribosome với Met tRNAmet, GTP và các yếu tố bắt đầu.

- Gắn mRNA vào, phản ứng này cần GTP.

- Nối ghép với tiểu phần lớn ribosome 60S.

- Thủy phân GTP thành GDP và Pi.

Toàn bộ các sự kiện trong giai đoạn khởi đầu dẫn tới việc hình thành phức hệ khởi đầu 80S và có thể tiến hành việc kéo dài chuỗi polypeptide.

* Giai đoạn kéo dài chuỗi polypeptide

Đây là quá trình lắp ráp các amino acid theo một thứ tự nhất định đã được mã hóa ở mRNA để tạo thành chuỗi polypeptide đặc trưng. Quá trình này xảy ra qua 3 bước riêng biệt, tạo nên “chu trình kéo dài chuỗi polypeptide”:

Bước 1: Gắn aminoacyl-tRNA vào vị trí A của ribosome theo lệnh của codon tiếp theo trên mRNA. Giai đoạn này cần GTP và các yếu tố kéo dài chuỗi. Ở tế bào prokaryote yếu tố kéo dài là EF-T gồm 2 bộ phận hợp thành là EF-Tu và EF-Ts, yếu tố này ở tế bào eukaryote là eEF-1. Các yếu tố trên đều có bản chất là protein, chúng có vai trò chuyển aminoacyl-tRNA vào khu A của ribosome. GTP thủy phân thành GDP và Pi cung cấp năng lượng cho quá trình gắn. Chu trình phản ứng của yếu tố kéo dài chuỗi polypeptide được thể hiện qua hình 10.11.

Bước 2: Hình thành liên kết peptide ở tiểu đơn vị 50S: Lúc này ở ribosome đã có f-meth-tRNA mở đầu ở vị trí P với sự xúc tác của enzyme peptidyl transferase, liên kết peptide được tạo thành giữa nhóm NH2 của aminoacyl-tRNA mới với nhóm -COOH của f-meth-tRNA. Kết quả tạo thành dipeptidyl-tRNA gắn ở vị trí A. Liên kết giữa f-meth và tRNA bị cắt đứt, năng lượng được giải phóng ra dùng để tạo liên kết -CO-NH- còn tRNA-met vẫn gắn ở vị trí P [hình 10.10].

Bước 3: Đây là bước chuyển vị. Ở bước này có sự tham gia của GTP và yếu tố kéo dài EF-G [ở tế bào eukaryote là eEF-1 chuyển peptidyl-tRNA từ vùng A tới vùng P, eEF-2]. EF-G khi kết hợp với ribosome góp phần tạo cho ribosome chuyển dịch một khoảng cách bằng một bộ ba trên phân tử mRNA. Khi đó dipeptidyl-tRNA chuyển từ vị trí A sang vị trí P. tRNA được giải phóng, còn GTP bị thủy phân thành GDP và Pi. Sau khi chuyển vị, vị trí A bỏ trống sẵn sàng tiếp nhận aminoacyl-tRNA tiếp theo để bắt đầu một vòng kéo dài khác [hình 10.12].

Các chu kỳ lắp ráp tương tự cứ tiếp diễn cho đến amino acid thứ n, khi vị trí A của ribosome gặp codon kết thúc [stop codon] là codon không mã hóa cho bất kỳ amino acid nào thì sự lắp ráp dừng lại.

* Giai đoạn kết thúc và tách rời

Sự tổng hợp chuỗi polypeptide được kết thúc khi trên phân tử mRNA xuất hiện các codon kết thúc UAA, UAG hoặc UGA. Không có tRNA chứa anticodon bổ sung đối với stop codon, thay vào đó những tín hiệu dừng [stop] được nhận biết bởi yếu tố tách chuỗi [release factor], những yếu tố này có bản chất là protein. Ở tế bào eukaryote chỉ có một yếu tố kết thúc là eRF nhận biết từng stop codon, nhưng ở vi khuẩn có 2 yếu tố tách sợi đã được phát hiện có tính đặc hiệu codon khác nhau: RF1 nhận biết UAA hoặc UAG và RF2 nhận biết UAA và UGA. Còn yếu tố RF3 có chức năng để gắn GTP.

Sự liên kết giữa yếu tố tách sợi với codon kết thúc ở vị trí A được hoạt hóa bởi peptidyl transferase. Enzyme này thủy phân liên kết giữa polypeptide và tRNA trong vị trí P. Chuỗi polypeptide được giải phóng, mRNA và tRNA tách khỏi ribosome. Ribosome 70S tự do lại bị phân ly thành các tiểu đơn vị 30S và 50S và lại có thể tham gia vào việc tổng hợp một phân tử protein mới.

* Hoàn chỉnh cấu trúc của protein sau phiên dịch mã

Các chuỗi polypeptide sau khi được tổng hợp sẽ tách khỏi ribosome, các protein phải đảm bảo cấu trúc không gian 3 chiều hợp lý để có hoạt tính sinh học. Quá trình này gọi là sửa đổi sau dịch mã [post-translation processing]. Ở tế bào có nhân cũng như ở tế bào không có nhân sự biến đổi này bao gồm các quá trình sau:

- Việc cải biến sau dịch mã mà hầu hết các protein phải thực hiện là loại bỏ amino acid bắt đầu. Ở tế bào prokaryote, N tận cùng tách bỏ formyl và trong một số trường hợp tự methionine bị loại bỏ đi sau khi chuỗi polypeptide được hoàn tất. Ở tế bào eukaryote, N tận cùng methionine cũng bị loại ra trong lúc chuỗi polypeptide mới sinh tổng hợp còn bám vào ribosome và cả trước khi chuỗi polypeptide được hoàn tất.

- Hoàn thiện bằng cách phân giải: Nhiều protein được tổng hợp ở dạng tiền thân, chúng sẽ được sửa đổi để trở thành dạng chín muồi có hoạt tính. Các protease tuyến tụy như chymotrypsin, trypsin và insulin khi mới đựơc tổng hợp là những phân tử lớn không có hoạt tính. Các protein này được hoạt hóa bằng cách nhờ enzyme protease cắt đặc hiệu bỏ đi những phần không cần thiết.

- Sự thay đổi của amino acid riêng biệt trong chuỗi polypeptide: Nhóm phosphate thêm vào làm cho polypeptide mang điện tích âm. Ví dụ như casein của sữa có nhiều nhóm phosphate làm casein gắn với Ca++. Nhóm -OH của mốt số amino acid như Ser, Thr, Tyr trong một số polypeptide được phosphoryl hóa bởi ATP. Nhóm carboxyl được gắn thêm vào Asp, Glu của một vài protein. Prothrombin chứa nhiều carboxyl glutamate mang điện tích âm và gắn với Ca++ nhờ đó có tác dụng đông máu.

- Sự gắn thêm nhóm phụ: nhiều loại protein của tế bào có nhân cũng như không nhân sẽ được gắn thêm nhóm phụ để tạo thành các protein có hoạt tính sinh học; ví dụ, biotin trong enzyme acetyl-CoA-carboxylase hoặc heme trong cytochrome c.

- Sự tạo thành liên kết chéo disulfide: Các protein đi ra ngoài từ tế bào có nhân sau khi chịu sự gập lại một cách tự động, thường liên kết chéo đồng hóa trị bởi sự tạo thành các cầu disulfide giữa cysteine ở trong hoặc ở giữa các chuỗi polypeptide. Việc tạo thành các cầu disulfid này bảo vệ được hình thể tự nhiên của phân tử protein khỏi biến tính trong môi trường ngoài tế bào khác nhiều so với môi trường trong tế bào.

Như vậy, chuỗi polypeptide sẽ được cuộn lại trong bào tương theo các dạng cấu trúc bậc hai, bậc ba đặc trưng cho phân tử protein, mà sự đặc trưng này được quyết định bởi cấu trúc bậc nhất. Một phân tử mRNA có thể được diễn dịch đồng thời nhiều ribosome vì mRNA có kích thước dài và các ribosome có liên hệ cách nhau khoảng 80 nucleotide. Sự phối hợp các ribosome lập thành polyribosome [hay polysome]. Thông tin của một phân tử hemoglobin mã cho 146 amino acid thường kết hợp với 4-6 ribosome, và thông tin càng dài thì polysome càng lớn.

Ở vi khuẩn, DNA nằm trong tế bào chất. mRNA là polycistron, có nghĩa là nó chứa thứ tự nucleotide mã hóa cho hơn một protein. Thông thường các protein này có chức năng trao đổi chất liên quan với nhau. Ở tế bào eukaryote, mRNA không phải là polycistron.

Về tốc độ, quá trình sinh tổng hợp protein xảy ra rất nhanh và phụ thuộc vào nhiệt độ. Đối với vi khuẩn, ở 37oC trong 1 giây chuỗi polypeptide tăng từ 12 đến 17 amino acid. Bởi vậy, để tổng hợp 1 phân tử protein có độ lớn 300 amino acid thì mất khoảng 20 giây. Trong các tế bào eukaryote, tốc độ tổng hợp chậm hơn, ví dụ trong tế bào hồng cầu lưới ở 37oC tốc độ kéo dài chuỗi peptide là 2 amino acid trong 1 giây. So với tốc độ giai đoạn kéo dài chuỗi thì giai đoạn khởi đầu và kết thúc xảy ra chậm hơn.

10.6.2.2 Nhu cầu năng lượng trong quá trình tổng hợp protein

Giai đoạn hoạt hóa amino acid cần 1 ATP và giai đoạn mở đầu cần 1 GTP để cung cấp năng lượng. Mỗi giai đoạn của quá trình kéo dài đều cần năng lượng từ sự thủy phân 2 phân tử GTP thành GDP và Pi để làm thay đổi cấu hình cần thiết cho việc di chuyển của tRNA và mRNA trên ribosome. Sự hình thành liên kết peptide không đòi hỏi sự thủy phân GTP, nó xuất hiện nhờ sự thủy phân liên kết giữa sợi peptide mới sinh ra và tRNA với sự thay đổi năng lượng tự do âm [∆Go = -28 kJ/mol].

10.6.2.3 Polyribosome

Khi việc dịch mã tiến hành, đầu 5' của mRNA trở nên thích nghi cho việc gắn ribosome khác để bắt đầu cho một phân tử protein nữa và tiến hành đến tận đầu 3'. Theo cách này phân tử mRNA có thể kết hợp với nhiều ribosome. Thông tin càng dài, số lượng ribosome kết hợp càng nhiều. Tập hợp các ribosome nối với nhau bởi mRNA gọi là polyribosome hay polysome. Các ribosome có đường kính khoảng 22nm và cách xa nhau từng 3nm và cứ mỗi 80 nucleotide lại có một ribosome trên mRNA để dịch mã một cách rất hiệu quả.

Ở vi khuẩn, DNA nằm trong tế bào chất và việc dịch mã có thể bắt đầu trước khi việc sao mã hoàn tất. mRNA vi khuẩn là polycistron, có nghĩa là nó chứa thứ tự nucleotide mã hóa cho hơn một protein. Thông thường các protein này có chức năng trao đổi chất liên quan với nhau. Thí dụ một mRNA chứa 10 cistron mã cho 10 protein khác nhau tham gia vào việc sinh tổng hợp histidine. Nó dài khoảng 12.000 nucleotide. mRNA polycistron thường chứa các vùng không dịch mã ở mỗi đầu và giữa vùng thông tin cho mỗi protein. Việc bắt đầu dịch mã có thể không chỉ xảy ra ở đầu 5', trước cistron thứ nhất mà ở mỗi codon bắt đầu nơi có thứ tự gắn ribosome. Ở tế bào eukaryote, mRNA không phải là polycistron.

10.6.3 Một số kháng sinh và độc tố ức chế quá trình sinh tổng hợp protein

Cơ chế sinh tổng hợp protein ở tế bào prokaryote [P] và eukaryote [E] về cơ bản là giống nhau nhưng cũng có nhiều điểm khác biệt về cấu trúc của ribosome và các yếu tố protein hòa tan, vì vậy các chất kháng sinh ức chế quá trình tổng hợp protein ở prokaryote và eukaryote có chọn lọc. Một số chất kháng sinh ức chế rất mạnh quá trình tổng hợp protein ở vi khuẩn nhưng lại không có tác động nào đối với quá trình tổng hợp protein ở động vật có vú.

Bảng 10.4: Một số chất ức chế quá trình sinh tổng hợp protein

Chất ức chế	Giai đoạn bị ức chế	Vị trí hoạt động	Đặc hiệu
Puromycin

Streptomycin

Cycloheximide

Neomycin

Tetracyclin

Chloramphenicol

Erythromycin

Giai đoạn kéo dài

Giai đoạn mở đầu, kéo dài

Giai đoạn kéo dài

Quá trình phiên dịch

Gắn với aminoacyl-tRNA

Chuyển peptid

Sự chuyển vị trí

Tiểu phần lớn

Tiểu phần nhỏ

Ribosome 70S

Tiểu phần lớn

P, E

9.3.4.1 Tổng hợp triglycerid

Page 2

Page 3

9.3.4.1 Tổng hợp triglycerid

Page 4

Page 5

Video liên quan

Bài Viết Liên Quan

Toplist mới

Bài mới nhất

Chủ Đề