Phương thức khử  carboxyl

10.3.3 Phương thức khử  carboxyl

Ở động vật thường gặp phản ứng khử  carboxyl ở gan, thận và vách ruột để tạo nên các amin tương ứng. Enzyme xúc tác cho quá trình này là decarboxylase có coenzyme là pyridoxal phosphate.

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.

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:

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.

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:

- 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.    

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.   

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.

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, ...

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:

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:

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.

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

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:

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.

 

Vị trí thứ 1 (đầu 5’)	Vị trí thứ 2				Vị trí thứ 3 (đầu 3’)
U	U	C	A	G	U C A G
	Phe Phe Leu Leu	Ser Ser Ser Ser	Tyr Tyr Stop Stop	Cys Sys Stop Tryp
C	Leu Leu Leu Leu	Pro Pro Pro Pro	His His Glu Glu	Arg Arg Arg Arg	U C A G
A	Ileu Ileu Ileu Met	Thr Thr Thr Thr	Asn Asn Lys Lys	Ser Ser Arg Arg	U C A G
G	Val Val Val Val	Ala Ala Ala Ala	Asp Asp Glu Glu	Gly Gly Gly Gly	U C A G

 

- RNA vận chuyển (tRNA)

Hiện nay người ta biết được khoảng 60 loại RNA vận chuyển. tRNA còn được gọi là RNA hòa tan (sRNA) vì chúng thường tồn tại đưới dạng hòa tan trong cytoplasma. 

RNA vận chuyển có 6 vị trí chức năng: vị trí gắn với amino acid, vị trí nhận biết enzyme aminoacyl-tRNA synthetase, vị trí đối mã đặc hiệu với amino acid, vị trí nhận biết các yếu tố tham gia vận chuyển aminoacyl-RNA synthetase trên ribosome, vị trí nhận biết các yếu tố kéo dài trong quá trình chuyển vị.

Chức năng của tRNA là vận chuyển amino acid đến ribosome thực hiện sinh tổng hợp protein.

RNA ribosome chiếm 80% tất cả các RNA có trong tế bào. rRNA có nhiều loại khác nhau về trọng lượng phân tử. Các rRNA kết hợp với protein để tạo thành ribosome.

Quá trình sinh tổng hợp protein diễn ra chủ yếu ở trong các ribosome. Ribosome có trong bào tương (cytoplasma) và ti thể. Dưới kính hiển vi điện tử chúng giống như những hạt hình cầu đường kính 22 nm với số lượng rất nhiều (khoảng 15.000 trong một tế bào E. coli) và chiếm 20% khối lượng của tế bào. Cấu tạo của ribosome được thể hiện qua hình 10.7.

Chức năng của rRNA là bộ khung định hướng protein, giữ bền cấu trúc và cũng có thể gắn mRNA với tRNA. Chức năng của protein ở ribosome được biết không nhiều, có một số protein trong tiểu phần lớn là enzyme xúc tác tạo liên kết peptide trong quá trình tổng hợp protein và một số protein như vị trí để gắn các kháng sinh nhất định. Ribosome đầy đủ có 2 tiểu phần lớn và nhỏ kết hợp với nhau, giữa chúng có đường rãnh để tiếp nhận và gắn mRNA. Tiểu phần lớn có 2 vị trí: vị trí amino-acyl-tRNA (vị trí A) làm nhiệm vụ tiếp nhận amino-acyl tRNA, vị trí peptidyl-tRNA (vị trí P) làm nhiệm vụ tiếp nhận peptidyl-tRNA trong quá trình chuyển vị. Ngoài ra còn có các vị trí gắn các yếu tố mở đầu, yếu tố kéo dài và yếu tố kết thúc.

M_r 0,9 x 10⁶

(1.540 nucleotide)

21 protein