Trao đổi cacbohydrat

Hình 4.1 Tổng hợp hexosephosphate từ triosephosphate

Trong trường hợp này nguyên tử N nối với 2 thành phần, vì vậy người
ta gọi N-glycoside. Tương tự như vậy S-glycoside và O-glycoside cũng
được tạo nên. Trong trường hợp thứ nhất nguyên tử H của một nhóm SH,

60
trong trường hợp thứ hai nguyên tử H của một nhóm OH được thay thế
bởi một gốc glycosyl.

Tính chất chung của các monosaccharide
Các monosaccharide là những chất không màu, phần lớn có vị ngọt.
Chúng hoà tan tốt trong nước, không tan trong dung môi hữu cơ không
phân cực, tan trong dung dịch ethanol 80%.
Tính chất lý học đặc trưng của monosaccharide là tính hoạt quang
của chúng, nghĩa là có khả năng làm quay mặt phẳng của ánh sáng phân
cực sang phải hoặc sang trái. Có thể đo được góc quay này bằng máy phân
cực kế.
Hoá tính quan trọng của monosaccharide là những tính chất của
nhóm chức aldehyd hoặc ketone, điển hình là tính khử.
a) Tuỳ điều kiện oxy hoá monosaccharide bị oxy hoá thành các acid
khác nhau
- Khi oxy hoá nhẹ bằng dung dịch clo, brom, iod trong môi trường
kiềm, hoặc dung dịch kiềm của các ion kim loại, nhóm chức
aldehyd của monosaccharide bị oxy hoá. Ion kim loại bị khử thành
dạng có hoá trị thấp hơn hoặc đến kim loại tự do (vi dụ Cu
2+

→Cu
+1
, Ag
+
→Ag
0
).



CHO COOH
| |
HCOH HCOH
| |
HOCH Oxy hoá nhẹ HOCH
| |
HCOH HCOH
| |
HCOH HCOH
| |
CH
2
OH CH
2
OH
D-glucose D-gluconic acid

- Khi chất oxy hoá là HNO
3
đặc, cả hai nhóm aldehyd và alcohol
bậc 1 của monosaccharide đều bị oxy hoá tạo thành acid chứa 2
nhóm carboxyl gọi là saccharic acid:

61

CHO COOH
| |
HCOH HCOH
| |
HOCH HNO
3
HOCH
| |
HCOH HCOH
| |
HCOH HCOH
| |
CH
2
OH COOH
D-glucose saccharic acid

b) Dưới tác dụng của các chất khử nhóm carbonyl của
monosaccharide bị khử tạo thành các polyol tương ứng
Để tiến hành phản ứng khử có thể dùng dòng khí hydro có chất xúc
tác là kim loại (hỗn hợp Hg và Na). Ví dụ khi bị khử fructose tạo thành 2
polyol đồng phân là sorbitol và mannitol. Sorbitol cũng là sản phẩm của
phản ứng khử glucose.

CHO CH
2
OH
| |
HCOH HCOH
| |
HOCH HOCH
| |
HCOH HCOH
| |
HCOH HCOH
| |
CH
2
OH COOH
D-glucose D-sorbitol


Trong cơ thể sinh vật, glucose có thể bị khử tạo thành polyol vòng
gọi là inosite, ví dụ mezoinosite là yếu tố sinh trưởng của các mô thực vật
nuôi cấy. Estephosphoric của nó (fitin) là nguồn dự trữ phospho trong hạt.

62









c) Phản ứng tạo este thường xảy ra với nhóm alcohol bậc 1, OH
glycosite của monosaccharide. Các este phosphat của
monosaccharide là những sản phẩm trung gian quan trọng nhất của
nhiều quá trình trao đổi chất trong cơ thể sinh vật.
d) Phản ứng của nhóm OH glycosite tạo thành các hợp chất glycoside
Nhóm OH glycoside có thể phản ứng với rượu tạo thành este tương
ứng gọi là glycosite. Tuỳ theo vị trí của nhóm OH này mà α- hoặc β-
glycoside được tạo thành. Trong phân tử glycoside, phần không phải
carbonhydrate được gọi là aglicon.
Có thể phân biệt các kiểu liên kết glycosite khác nhau:
- Liên kết O-glycoside: (G-C-O-A) gốc aglicon (A) kết hợp với
carbonhydrate (G) qua O. Liên kết O-glycoside là dạng liên kết của đi-,
tri-, oligo- và polysaccharide.
- Liên kết S-glycoside: (G-C-S-A) gốc aglicon (A) kết hợp với
carbonhydrate (G) qua S
- Liên kết N-glycoside: (G-C-N-A) gốc aglicon (A) kết hợp với
gluxit (G) qua N
- Liên kết C-glycoside: (G-C-C-A) gốc aglicon (A) kết hợp với
carbonhydrate (G) qua C
Liên kết glycoside không bền với acid, tương đối bền với kiềm.
Dưới tác dụng của acid hoặc các enzyme tương ứng, glycoside bị thuỷ
phân tạo thành monosaccharide và aglicon.

4.3 Các polysaccharide
Polysaccharide do nhiều gốc monosaccharide kết hợp với nhau, có
khối lượng phân tử lớn, do đó polysaccharide không có tính khử. Các
monosaccharide có thể thuộc một loại hay nhiều loại khác nhau. Các liên
kết glycoside trong phân tử polysaccharide có thể là α- hoặc β-glycoside.
Tên polysaccharide dựa theo tên của monosaccharide cấu tạo nên nó

63
nhưng đổi đuôi “ose” thành đuôi “an”. Ví dụ D-glucane, D-fructane, D-
galactane. Sau đây chỉ đề cập chi tiết hơn một số polysaccharide phổ biến
và quan trọng.
Tinh bột là polysaccharide dự trữ thực vật phổ biến nhất, là một hỗn
hợp của amylose và amylopectin, trong đó amylopectin chiếm khoảng
80%. Amylose là một chuỗi không phân nhánh gồm nhiều gốc glucose. Có
khoảng 200-300 gốc glucose kết hợp với nhau theo kiểu α-glycoside. Liên
kết luôn luôn nằm giữa C
1
và C
4
. Ngược lại amylopectin là chuỗi phân
nhánh. Sự phân nhánh là do liên kết glycoside giữa C
1
và C
6
. Amylopectin
được tạo thành từ amylose. Gốc amylose (khoảng 40 gốc glucose) được
gắn kết với một chuỗi amylose khác bằng liên kết α -1-6-glycoside. Người
ta cho rằng chuỗi amylose dài và cả những chuỗi amylopectin ngắn hơn có
cấu tạo xoắn.
Cơ quan dự trữ tinh bột là vô sắc lạp (amyloplast), tương tự như lục
lạp và phát triển từ tiền lục lạp. Cơ quan chứa tế bào dự trữ (hạt ngũ cốc,
củ khoai tây) gồm các vô sắc lạp xếp sít nhau.


Tinh bột được tích luỹ trong vô sắc lạp và lục lạp ở dạng hạt tinh bột
và tạo nên vị trí tinh bột tập trung. Cấu trúc này đối với từng loại thực vật
là khác nhau như ở hình 4.2. Người ta có thể nhận dạng hạt tinh bột có
nguồn gốc từ các loài thực vật khác nhau. Ở những vị trí tinh bột tập trung

64
thể hiện sự kết hợp của các hạt tinh bột dày hơn hoặc thưa hơn. Sự kết hợp
dày hơn thể hiện vào ban ngày, thưa hơn vào ban đêm. Tinh bột có nhiều
trong các loại quả và củ khác nhau, như trong hạt ngũ cốc (60-70 %) trong
củ khoai tây (15-20%).



Hình 4.2 Cấu trúc của các hạt tinh bột khác nhau

Trong lục lạp tinh bột chỉ được tích luỹ tạm thời và thực ra chỉ khi
hoạt động quang hợp mạnh, vào ban ngày. Ban đêm những hạt tinh bột
được phân giải thành các monosacaride, đặc biệt là các triose và được đi ra
khỏi lục lạp.
Glycogen là một chuỗi mạch nhánh, đại phân tử được tạo nên từ
nhiều gốc glucose. Glycogen (tinh bột của gan) là carbohydrate dự trữ của
động vật bậc cao. Nó tồn tại chủ yếu ở trong gan và trong mô cơ. Nồng độ
glycogen ở trong gan cao hơn ở trong mô cơ, tuy nhiên vì trọng lượng của
mô cơ lớn hơn trọng lượng của gan nên mô cơ có nồng độ glycogen tổng
số cao hơn ở gan. Glycogen nằm trong tế bào chất ở dạng hạt nhỏ, có
đường kính 10-40 nm. Sự tổng hợp glycogen thực hiện từ UDP-glucose.

65
Nó là chất cho gốc glycosyl đối với enzyme tổng hợp glycogensynthetase.
Glycogen ở trong gan chịu trách nhiệm điều khiển nồng độ đường trong
máu. Nồng độ đường trong máu nằm giữa 4,5-7mM. Khi cung cấp đường
qua thức ăn thì glucose trong máu được tổng hợp thành glycogen, khi cần
glucose, ví dụ hoạt động của cơ thì glucose được giải phóng từ glycogen.
Cellulose là một thành phần quan trọng của thành tế bào thực vật. Ở
thành tế bào sơ cấp nó chiếm khoảng 30%, ở tế bào già thành phần này
còn cao hơn. Cellulose là một glucan, một polysaccharide, được tạo nên từ
các gốc glycosyl. Liên kết nằm giữa C
1
và C
4
và tương tự liên kết trong
cellobiose. Ở liên kết β-glycoside nhóm OH ở C
1
nằm ở phía trên, trong
khi nhóm OH ở C
4
nằm ở phía dưới (công thức Harworth). Như vậy
những nhóm OH của hai gốc đính ở 2 phía đối diện nhau, người ta cho
rằng mặt bằng của phân tử tự quay 180
0
. Sau đó phân tử cellulose có một
hình dạng, mà nguyên tử C6 lúc nằm ở phía trên và lúc thì ở phía dưới
của phân tử.




66


Có khoảng 36 chuỗi cellulose riêng biệt kết hợp với nhau thành 1 vi
sợi, ở đây các chuỗi liên kết với nhau bằng liên kết hydro. Các vi sợi này
có những vùng kết tinh và ở dạng này enzyme khó có thể tác động. Những
vi sợi kết hợp lại thành sợi, và bó sợi, như ở bông vải là dạng sợi tinh
khiết. Chất cho glucosyl là UDP-glucose. Enzyme, cellulose synthetase,
có ở gian bào.

4.4. Hoá sinh quang hợp
4.4.1 Pha sáng trong quang hợp
Trong thế giới sinh vật thì quang hợp là một quá trình cơ bản. Thông
qua quang hợp mà năng lượng của ánh sáng mặt trời chiếu xuống được
biến thành năng lượng hoá học. Hầu hết sinh vật của hành tinh chúng ta
sống trực tiếp hoặc gián tiếp nhờ năng lượng ánh sáng mặt trời. Như vậy
năng lượng được tích luỹ là ở dạng năng lượng hoá học.
Phản ứng tổng quát của quá trình quang hợp thường được biểu diễn
bằng phương trình sau, mặc dù nó thể hiện không hoàn toàn đầy đủ.
6CO
2
+ 6H
2
O + Năng lượng → C
6
H
12
O
6
+ 6O
2
Chính xác là ở quá trình quang hợp nhờ năng lượng ánh sáng mặt
trời mà đường được tạo thành và quang hợp ở thực vật đã gắn liền với việc
giải phóng oxy.
Quá trình quang hợp được chia làm hai giai đoạn:
- Phản ứng sáng
- Sự đồng hoá CO
2

Giai đoạn thứ nhất là quá trình chuyển năng lượng ánh sáng thành
năng lượng hoá học.
Giai đoạn thứ hai là tạo ra dạng năng lượng hoá học bền vững và
dễ dự trữ hơn.



67


Hình 4.3 Cấu trúc của diệp lục a và của farnesol. Farnesol là gốc kỵ nước
của một số tế bào vi khuẩn
Ánh sáng cần cho quá trình quang hợp được tiếp nhận bởi hai nhóm
sắc tố: chlorophyll và carotenoid. Ở một số sinh vật bậc thấp hơn còn có
phycobillin. Cấu trúc cơ bản của diệp lục là vòng porphyrin, được tạo nên
từ 4 vòng pyrrol riêng lẽ (hình 4.3). Ở trung tâm của vòng có một nguyên
tử Mg liên kết với các nguyên tử nitơ bởi hai liên kết đồng hoá trị và hai
liên kết phối trí. Nguyên tử Mg có thể được tách ra khi có tác động của
axit loãng. Phân tử diệp lục không chứa Mg được gọi là pheophytin cũng
có một vai trò quan trọng trong phản ứng sáng quang hợp. Chuỗi bên của
phân tử diệp lục có tính kỵ nước và nhờ vậy mà toàn bộ phân tử có đặc
tính kỵ nước. Người ta biết những loại chlorophyll khác nhau: chlorophyll
a, chlorophyll b và chlorophyll vi khuẩn. Sự khác nhau của những loại này
là do sự khác nhau của các chuỗi bên. Ở chlorophyll b có nhóm aldehyde,
như hình 4.3, được thay thế bằng nhóm methyl ở chlorophyll a. Điều thú
vị hơn là chuỗi bên dài kỵ nước được tạo nên từ các dẫn xuất isopren. Ở
chlorophyll a và b chuỗi bên là một phytol (rượu) liên kết ester với một
chuỗi bên của vòng porphyrine. Ở một số vi khuẩn chlorophyll chứa một
farnesol (alkohol) được liên kết ester với chuỗi bên của vòng.
Điều có ý nghĩa đặc biệt hơn là những liên kết đôi liên hợp trong
vòng porphyrine. Chúng có khả năng hấp thu ánh sáng và vì vậy những
liên đôi này là yếu tố quan trọng của chlorophyll. Những liên kết liên hợp

68
của carotenoide cũng hấp thu ánh sáng. Các chất thuộc nhóm carotenoide
có màu vàng đến màu đỏ da cam, thấy rõ ở lá cây vào mùa thu, lúc này
diệp lục bị phân huỷ nên không còn che phủ sắc tố carotenoid.
Để hiểu hơn về quá trình quang hợp chúng ta phải đề cập đến cơ
quan mà trong đó quang hợp xảy ra, đó là lục lạp. Lục lạp có hình tròn
đến hình bầu dục, có đường kính khoảng 10 μm. Nó được bao quanh bởi
màng trong và màng ngoài, những màng này có ý nghĩa đối với việc đi
vào và đi ra của các chất. Màng trong của lục lạp được tạo nên từ hệ thống
màng kéo dãn, ở một số vị trí có dạng xếp chồng lên nhau.



Hình 4.4 Sơ đồ biểu diễn một lục lạp

Những màng này xuất hiện dưới kính hiển vi điện tử như những túi
dẹt. Vì vậy người ta gọi chúng là thylacoid. Màng thylacoid bao quanh
một không gian bên trong gọi là cơ chất của lạp thể và tạo nên sự ngăn
cách giữa bên trong thylacoid với môi trường ngoài. Sự phân cách giữa
bên trong thylacoid với stroma là cần thiết cho phản ứng sáng của quang
hợp. Ở một số vị trí có nhiều thylacoid xếp lên nhau thành chồng rất dày.
Chúng xuất hiện dưới kính hiển vi như những hạt (grana), vì vậy người ta
gọi chúng là grana-thylacoid. Chúng được nối kết với những thylacoid
riêng lẽ như màng kép xuyên qua cơ chất lục lạp. Chúng được gọi là
stroma-thylacoid (hình 4.4).

69

Xem chi tiết: Trao đổi cacbohydrat