Hóa sinh 2 ĐỀ TÀI “Sinh tổng hợp cacbonhydrat trong thực vật và vi khuẩn” Giáo viên hướng dẫn : Ths Hồ Thiên Hoàng Họ tên sinh viên : GVHD: Ths. Hồ Thiên Hoàng 1 Hóa sinh 2 PHẦN MỞ ĐẦU 3 1.Đặt vấn đề 3 NỘI DUNG 5 Những con đường chuyển đổi hai phân tử glycolat của phosphoglycolate-2 để một phân tử của serine (ba nguyên tử cacbon) và một phân tử CO2 (Hình 20- 21). Trong các lục lạp, phosphatase là chuyển đổi 2-phosphoglycolate đến glycolat, được xuất sang vi thể peroxy. Các glycine truyền từ các vi thể peroxy đến themitochondrial, nơi tách carboxyl oxy hóa bởi các decarboxylase glycine phức tạp 20 GVHD: Ths. Hồ Thiên Hoàng 2 Hóa sinh 2 PHẦN MỞ ĐẦU 1.Đặt vấn đề. Carbohydrate có vai trò quan trọng trong cuộc sống. Polysaccharides phục vụ cho việc lưu trữ năng lượng (ví dụ, tinh bột và glycogen) và là thành phần cấu trúc (ví dụ, cellulose trong thực vật và chitin ở động vật chân đốt). 5-cacbon monosaccharide Ribose là một thành phần quan trọng của coenzyme (ví dụ, ATP, fad, và NAD) và xương sống của các phân tử di truyền được gọi là RNA. Các deoxyribose liên quan là một thành phần của DNA. Saccharides và dẫn xuất của chúng bao gồm nhiều biomolecules quan trọng khác là vai trò chủ chốt trong hệ thống miễn dịch, thụ tinh, bệnh sinh, đông máu, và phát triển. Trong khoa học thực phẩm, các carbohydrate là thực phẩm đặc biệt giàu tinh bột (như ngũ cốc, bánh mì và mì ống) hay đường (như kẹo, mứt và món tráng miệng). Vì vậy, với đề tài “Sinh tổng hợp cacbonhydrat trong thực vật và vi khuẩn” nhóm chúng em sẽ đi làm rõ những vấn đề về cacbon hydrat. 1. Mục đích và yêu cầu. 1.1. Mục đích. Kiến thức: kích thích sự tìm tòi, tìm kiếm tài liệu nơi sinh viên. Từ những kiến thức được học trên lớp sinh viên đi sâu và nắm bắt vấn đề nhanh nhạy hơn. Kỹ năng: phân tích, nhận định đúng vấn đề đặt ra. 1.2. Yêu cầu. Tập hợp sức mạnh đoàn kết của tất cả các thành viên trong nhóm có phân công giao việc rõ ràng. Nghiên cứu phương pháp qua việc tìm hiểu trên mạng,các sách báo có liên quan đến vấn đề. 2. Phương pháp nghiên cứu. GVHD: Ths. Hồ Thiên Hoàng 3 Hóa sinh 2 Thông qua sách báo, tài liệu, kết hợp với tin tức trên các phương tiện thông tin, phương pháp suy luận, phân tích, tổng hợp để giải quyết vấn đề một cách triệt để. 3. Phạm vi nghiên cứu. Do thời gian có hạn, tài liệu phục vụ nghiên cứu chưa được dồi dào nên nhóm chúng em tập trung nghiên cứu những vấn đề cơ bản nhất. 4. Kết quả nghiên cứu. Sau quá trình tìm hiểu thu thập tài liệu, nhóm chúng em đã viết nên bài tiểu luận: “Sinh tổng hợp cacbonhydrat trong thực vật và vi khuẩn”. Sau bài tiểu luận này chúng em nắm thêm nhiều kiến thức hơn về môn học. GVHD: Ths. Hồ Thiên Hoàng 4 Hóa sinh 2 NỘI DUNG 1. Định nghĩa: Tất cả các hydrat cacbon đều chứa các nguyên tố hóa học cacbon, hydro và oxy. Nguyên tử của các nguyên tố này thường kết hợp lại để tạo các phân tử có công thức tổng quát là C x (H 2 O) y trong đó x,y là những biến số (ví dụ như C 6 H 12 O 6, C 12 H 22 O 11 ). Hydro và oxy luôn có tỷ lệ là 2: 1như trong phân tử nước. Các carbohydrate (saccharides) được chia thành bốn nhóm chất hóa học: monosaccharides, disaccharides, oligosaccharides, và polysaccharides. Chức năng quan trọng nhất của hydro cacbon là dự trữ và cấp năng lượng. trong quang hợp, năng lượng ánh sáng được chuyển sang năng lượng hóa học dự trữ dưới dạng các hydrat cacbon. Ở thực vật chúng được dùng như nhiên liệu của hô hấp, năng lượng giải phóng lại cung cấp cho các phản ứng chuyển hóa. Kết quả là thực vật có thể sản xuất các axit amin, protein và các chất khác cần thiết cho sinh trưởng. Hydrat cacbon phức có trong thực vật bao gồm tinh bột là dạng dự trữ năng lượng dài ngày và xellulose là nguyên liệu cấu trúc chính của thành tế bào thực vật. Khi nguyên liệu thực vật được ăn, năng lượng hóa học dự trữ của nó được chuyển sang động vật. quá trình chuyển này có thể tiếp diễn từ động vật này sang động vật khác và do đó dù con vật có ăn trực tiếp hay không, tất cả động vật đều phụ thuộc vào các hydrat cacbon của thực vật. Cũng như thực vật động vật sử dụng các đường đơn,như glucose,là nguyên liệu chính cho hô hấp và các phức,như glycogen là chất dự trữ năng lượng.với tính chất là nguyên liệu cấu trúc,hydrat cacbon không quan trọng lắm với động vật,tuy nhiên đôi khi cũng được sử dụng ở dạng đặc biệt như vỏ kitin ở côn trùng. Tóm lại, hydrat cacbon đơn hoạt động như nguồn năng lượng, còn hydrat cacbon phức như chất dự trữ năng lượng hoặc nguyên liệu cấu trúc. Thêm vào đó một số hydrat cacbon là bộ phận không thể thiếu được cho các cấu trúc của axit nucleic. GVHD: Ths. Hồ Thiên Hoàng 5 Hóa sinh 2 2. Quá trình quang tổng hợp cacbonhydrat. 2.1. Quang hợp. Là quá trình sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời đã được diệp lục hấp thụ để tổng hợp Cacbonhydrat và giải phóng oxi từ khí cacbonic và nước. Phương trình tổng quát của quang hợp: 6CO 2 + 12H 2 O > C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O 2.2. Vai trò của quang hợp. Sản phẩm quang hợp là nguồn chất hữu cơ làm thức ăn cho mọi sinh vật, là nguyên liệu cho công nghiệp và thuốc chữa bệnh cho con người. Cung cấp năng lượng để duy trì hoạt động sống của sinh giới. Điều hòa không khí: giải phóng Oxi và hấp thụ CO2 (góp phần ngăn chặn hiệu ứng nhà kính). 2.3. Quang tổng hợp cacbonhydrat. Tổng hợp cacbonhydrat đưa vào tế bào động vật, có ít nhất ba cacbon, tất cả những chất nào ít cacbon hơn bị oxi hóa đưa vào CO 2 . Ngược lại thực vật và vi sinh vật quang hợp, có thể tổng hợp hợ p chất hữu cơ gồm cácbon và hyđrô từ CO 2 và nước, giảm CO 2 với sự tiêu hao năng lượng và giảm năng lực cung cấp ATP và NADPH tạo ra bằng ánh sáng phụ thuộc phản ứng của quang tổng hợp.(Hình 20.1). Thực vật (và sinh vật tự dưỡng khác) có thể sử dụng CO 2 như nguồn nguyên tử cacbon cần cho quang tổng hợp của xenlulô và tinh bột, prôtêin và chất béo và nhiều thành phần hữu cơ khác trong tế bào thực vật. Lục lạp chứa duy nhất trong thực vật xanh chứa đựng hệ enzim gây xúc tác chuyển hóa của CO 2 thành các hợp hợp chất hữu cơ, quá trình này gọi là đồng hóa CO 2 .Quá trình này cũng đã được gọi là cố định CO 2 hoặc là sự cố định cacbon, trong đó CO 2 được cố định vào hợp chất hữu cơ ba cácbon, một cacbonhydrat có ba đơn vị cácbon phốtphát 3 phosphoglycerate. Sản phẩm đơn giản này của quang hợp là điềm báo trước của phân tử sinh học phức tạp hơn, bao gồm hai loại đường, polysaccharides, và metabolites trích từ chúng, tất cả được tổng hợp bởi cách thức chuyển hoá giống GVHD: Ths. Hồ Thiên Hoàng 6 Hóa sinh 2 với các mô động vật. Khí CO 2 được hấp thụ qua chuỗi các phản ứng hóa sinh, chúng được các vật trung gian phục hồi thường xuyên. Hình 20-1 đồng hoá của CO 2 vào nhiên liệu sinh học trong thực vật. Chuỗi các phản ứng hóa sinh đã được làm sáng tỏ trong những năm 1950 là do Melvin Calvin, Andrew Benson, và James A. Bassham, và thường được là gọi chu trình Calvin hoặc là chu trình giảm quang hợp cacbon. Sự chuyển hoá cacbonhydrat trong tế bào thực vật phức hợp hơn trong tế bào động vật hoặc vi sinh vật không quang hợp. Melvin Calvin, 1911–1997 2.3.1. Lục lạp là bào quan Quang hợp. Lục lạp có màng kép, bên trong là 1 khối cơ chất không màu gọi là chất nền (stroma), và có các hạt grana nằm rãi rác. Dưới kính hiển vi điện tử, 1 hạt grana có dạng các túi dẹt xếp chồng lên nhau gọi là tilacoit (chứa diệp lục, carotenoit, enzym). Hầu hết hoạt tính sinh tổng hợp trong thực vật (bao gồm đồng hóa CO 2 ) xảy ra trong lục lạp , tự nhân bản sinh sản, bào quan bao bọc bởi màng đôi và chứa bộ gien nhỏ mã hoá một số prôtêin của chúng. Hầu hết các prôtêin dành cho thể hạt đều mã hoá trong gien GVHD: Ths. Hồ Thiên Hoàng 7 Hóa sinh 2 thuộc nhân, đang sao chép lại và dịch như gien thuộc nhân khác; sau đó protêin được đưa vào vào thể hạt. Thể hạt sinh sản bằng nhị phân chia, sao chép bộ gien của chúng (mạch vòng đơn phân tử) và sử dụng enzym riêng của chúng và ribôxôm để tổng hợp prôtêin mã hoá bằng bộ gien. Lục lạp là nơi CO 2 đồng hóa. Enzim cho quá trình này được chứa ở chất nền, giai đoạn này bao bọc bởi bên trong lục lạp màng. Hạt bột là thể hạt không màu (nghĩa là, chúng thiếu chất diệp lục và sắc tố khác thấy trong lục lạp). Chúng không có màng trong tương tự với màng quang hợp (thylakoids) của lục lạp , và mô thực vật dồi dào về tinh bột thể hạt này được xếp vào với hạt nhỏ tinh bột (Hình 20-2). Hình 20-2 Amyloplasts đầy tinh bột (hạt tối) được nhuộm màu với iốt trong tế bào của gốc cây mao lương. Hạt tinh bột trong các mô khác nhau đường kính khoảng 1-100 µm. 2.3.2. Hệ sắc tố Quang hợp: Lục lạp chứa hệ sắc tố quang hợp gồm diệp lục (a và b) và carotenoit (caroten và xantophyl) phân bố trong màng tilacoit. Các sắc tố này hấp thụ và truyền năng lượng ánh sáng cho diệp lục a ở trung tâm phản ứng. Tại đó năng lượng ánh sáng được chuyển hóa thành năng lượng hóa học trong ATP và NADPH. 3. Quang hợp ở các nhóm thực vật C3, C4 và CAM. Quá trình quang hợp được chia thành 2 pha: pha sáng và pha tối. Quang hợp ở các nhóm thực vật C3, C4 và CAM chỉ khác nhau ở pha tối. 3.1. Thực vật C3: • Pha sáng: Là pha chuyển hóa năng lượng ánh sáng đã được diệp lục hấp thụ thành năng lượng của các liên kết hóa học trong ATP và NADPH. Pha sáng diễn ra ở tilacoit khi có chiếu sáng. GVHD: Ths. Hồ Thiên Hoàng 8 Hóa sinh 2 Trong pha sáng, nămg lượng ánh sáng được sử dụng để thực hiện quá trình quang phân li nước, O2 được giải phóng là oxi của nước. 2H 2 O > (4 + ) + (4e - ) + (O 2 ) ATP và NADPH của pha sáng được sử dụng trong pha tối để tổng hợp các chất hữu cơ • Pha tối: Diễn ra trong chất nền (stroma) của lục lạp. Pha tối ở thực vật C3 chỉ có chu trình Calvin. Thực vật C3 phân bố mọi nơi trên trái đất (gồm các loại rêu > cây thân gỗ trong rừng). 3.1.1. Chu trình Calvin bao gồm 3 giai đoạn: Hình 20-4 Ba giai đoạn của đồng hóa CO 2 trong các sinh vật quang hợp. Chu kỳ này là giảm carbon chu kỳ quang hợp, hoặc chu trình Calvin.  Giai đoạn 1: giai đoạn cacboxi hóa. Ở giai đoạn này CO 2 bị khử để hình thành nên sản phẩm đầu tiên của quang hợp là acid phosphoglixeric. Enzym gây xúc tác đoàn thể của CO 2 vào dạng hữu cơ là ribulose 1,5- bisphosphate carboxylase/oxygenase, tên gọi vắn tắt là rubisco. Khi carboxylase, GVHD: Ths. Hồ Thiên Hoàng 9 Hóa sinh 2 rubisco gây xúc tác cộng hoá trị của CO 2 vào cac bon thứ năm của đường ribulose 1,5-bisphosphate và sự phân tách không ổn định của sáu carbon quá trình trung gian để tạo thành hai phân tử 3-phosphoglycerate, một trong số đó có carbon được thực hiện như CO 2 trong nhóm cacboxyl. Thực vật rubisco, enzym quan trọng trong sản xuất của nhiên liệu sinh học từ CO 2 , có cấu trúc phức tạp (hình 20-5a), với tám đơn vị nhỏ lớn đồng nhất (M 53,000 ; được mã hoá trong hệ gien lục lạp, hoặc plastome), một nơi chứa xúc tác, và tám đơn vị nhỏ đồng nhất (M 14,000 ; mã hoá trong hệ gien hạt nhân) của chức năng không chắc chắn. Rubisco của vi khuẩn quang hợp còn đơn giản trong cấu trúc, có hai đơn vị nhỏ về nhiều mặt giống đơn vị lớn của enzym thực vật (hình 20-5b).Tương đồng này phù hợp với giả thuyết endosymbiont cho nguồn gốc của lục lạp. Enzym thực vật đặc biệt có số quay vòng thấp ; chỉ ba phân tử của CO 2 đều cố định mỗi giây trong mỗi phân tử của rubisco tại 25 C. Để cố định thực vật cần đạt được tỉ lệ CO 2 cao với số lượng lớn enzym này.Thực ra, rubisco tạo nên gần 50% prôtêin tan trong lục lạp và có lẽ là một trong những enzym dồi dào nhất trong sinh quyển. Hình 20-5 Cơ cấu tổ chức của ribulose 1,5-bisphosphate cacboxylaza (RuBisco). GVHD: Ths. Hồ Thiên Hoàng 10 [...]... cho sự tổng hợp tổng thể của sucrose cơ bản không thể đảo ngược Sucroza được tổng hợp quy định và chặt chẽ phối hợp với tổng hợp tinh bột, như ở phần trên GVHD: Ths Hồ Thiên Hoàng 28 Hóa sinh 2 Một khác biệt đáng kể giữa các tế bào của thực vật và động vật là sự vắng mặt trong các vi tế bào thực vật -tosol của pyrophosphatase enzym vô cơ, mà xúc tác các phản ứng Đối với nhiều phản ứng tổng hợp sinh... kỳ Calvin 3.2 Thực vật C4 Gồm 1 số loài sống ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới như: mía, ngô, cao lương Thực vật C4 sống trong điều kiện nóng ẩm kéo dài, nhiệt độ, ánh sáng cao -> tiến hành quang hợp theo chu trình C4 Thực vật C4 ưu vi t hơn thực vật C3: Cường độ quang hợp cao hơn, điểm bù CO2 thấp hơn, điểm bảo hòa ánh sáng cao hơn, nhu cầu nước thấp -> thực vật C4 có năng suất cao hơn thực vật C3... loại vi khuẩn như (Acetobacter, Agrobacteria, Rhizobia, và Sarcina) và nhiều sinh vật nhân chuẩn đơn giản cũng thực hiện tổng hợp cellulose, rõ ràng cơ chế như ở thực vật Nếu vi khuẩn bắt đầu một màng lipit cho chuổi mới, nó không thể là sterol, Vì vi khuẩn không có sterol 5.2 Lipid-Liên Kết Oligosaccharides là tiền chất cho sự tổng hợp thành tế bào của vi khuẩn Giống như tế bào thực vật, nhiều vi khuẩn... 4.1 ADP-Glucose là cơ chất cho tổng hợp tinh bột tại lục lạp cây và cho tổng hợp Glycogen ở vi khuẩn Cơ chế kích hoạt glucose trong tổng hợp tinh bột cũng tương tự như trong tổng hợp glycogen Một đường nucleotide hoạt động, trong trường hợp này ADPglucose, được hình thành bằng cách ngưng tụ glucose 1-phosphate với ATP trong một phản ứng về cơ bản không thể đảo ngược được thực hiện bởi sự hiện diện ở... này và kích thích sự tổng hợp của tinh bột Hình 20-27 Cơ chế của sucrose phosphate synthase bằng con đường phosphoryl hóa Hình 20-28 Cơ chế của ADP-glucose phosphorylase bởi 3-photphoglyxerat và Pi 5 Tổng hợp các vách tế bào Polysaccharides: Cellulose thực vật và peptidoglucal ở vi khuẩn Cellulose là thành phần chính của thành tế bào thực vật, cung cấp sức bền và độ cứng và ngăn chặn sự trương và vỡ... được tổng hợp cạnh nhau để tạo thành một microfibril ( vi sợi ) (hình 20-29) Quá trình sinh tổng hợp cellulose ít được hiểu rõ hơn của glycogen hoặc tinh bột Là một thành phần chính của tế bào thực vật, cellulose phải được tổng hợp từ nội bào tiền chất nhưng trầm lắng và được tổng hợp ngoài màng huyết tương Các hệ thống enzym để khởi xướng, kéo dài, và xuất khẩu của chuỗi cellulose là phức tạp hơn ,và. .. thuốc bỏng, và các cây đó được gọi là thực vật CAM Hình 20-23 Đồng hóa Carbon trong thực vật C4 4 Sinh tổng hợp của tinh bột và Sucroza GVHD: Ths Hồ Thiên Hoàng 26 Hóa sinh 2 Trong quá trình quang hợp dưới tác dụng ánh sáng, một lá cây sản xuất carbohydrate nhiều hơn (như triose photphat) hơn nhu cầu năng lượng hoặc tạo ra các tiền chất tổng hợp Nếu dư thừa sẽ được chuyển đổi sang sucrose và vận chuyển... lưu trữ Trong hầu hết các cây, tinh bột là hình thức lưu trữ chính, nhưng trong một vài loài thực vật, như đường mía và củ cải đường, sucrose là hình thức lưu trữ chính Tổng hợp sucrose và tinh bột xảy ra trong các vách di động khác nhau (tế bào chất và lục lạp, tương ứng), và các quy trình này được điều phối bởi một loạt các cơ chế, quy định để đáp ứng với những thay đổi của mức độ ánh sáng và tỷ lệ... đoạn 2 theo chu trình Calvin diễn ra trong lục lạp của tế bào bao bó mạch Như chúng ta thấy, tế bào quang hợp tạo ra O 2 (bởi rạn nứt của H2O) trong phản ứng ánh sáng và sử dụng CO 2 trong ánh sáng - tiến trình độc, cho nên lưới thay đổi có dạng khí trong quang hợp là sức hấp dẫn của CO 2 và phóng thích của O2 : GVHD: Ths Hồ Thiên Hoàng 19 Hóa sinh 2 Trong bóng tối, thực vật cũng thực hiện hô hấp ty thể,... lũy, mức độ glucoza 6phosphat tăng và tổng hợp sucrose được kích thích Enzyme quy định trong tổng hợp tinh bột là ADP-glucose pyrophosphorylase (hình 20-28); nó được kích hoạt bởi 3-photphoglyxerat (có tích lũy trong quá trình GVHD: Ths Hồ Thiên Hoàng 31 Hóa sinh 2 quang hợp) và ức chế bởi Pi (được tích tụ khi ánh sáng-hướng ngưng tụ của ADP và Pi chậm) Khi sucrose tổng hợp chậm, 3-photphoglyxerat hình . trình tìm hiểu thu thập tài liệu, nhóm chúng em đã vi t nên bài tiểu luận: “Sinh tổng hợp cacbonhydrat trong thực vật và vi khuẩn”. Sau bài tiểu luận này chúng em nắm thêm nhiều kiến thức hơn về. (như kẹo, mứt và món tráng miệng). Vì vậy, với đề tài “Sinh tổng hợp cacbonhydrat trong thực vật và vi khuẩn” nhóm chúng em sẽ đi làm rõ những vấn đề về cacbon hydrat. 1. Mục đích và yêu cầu. 1.1 Hóa sinh 2 ĐỀ TÀI “Sinh tổng hợp cacbonhydrat trong thực vật và vi khuẩn” Giáo vi n hướng dẫn : Ths Hồ Thiên Hoàng Họ tên sinh vi n : GVHD: Ths. Hồ Thiên Hoàng 1 Hóa