Người và ủộng vật khụng sử dụng ủược cỏc hợp chất chứa nitơ vụ cơ. Trong khi ủú, thực vật cú thể sử dụng cỏc hợp chất chứa nitơ vụ cơủể tạo cỏc hợp chất chứa nitơ chứa nitơ trong ủú cú cỏc aminoacid. Quỏ trỡnh này bao gồm nhiều giai ủoạn: sự chuyển nitơ vụ cơ thành amoniac, sự gắn amoniac vào khung carbon tạo các aminoacid sơ cấp và sự chuyển nhóm amin từ các aminoacid sơ cấp cho cỏc cetoacid ủể tạo cỏc aminoacid khỏc.
Nguồn nitơ vô cơ có thể là nitrat hoặc nitơ phân tử có trong không khí. Quá trình chuyển nitrat thành amoniac ủược gọi là quỏ trỡnh khử nitrate, quỏ trỡnh chuyển nitơ phõn tử thành amoniac ủược gọi là quỏ trỡnh cố ủịnh nitơ. Ngoài ra, thực vật cú thể lấy trực tiếp amoniac từ sự phõn giải aminoacid và protein hoặc lấy từ phân bón.
a. Quá trình khử nitrate
ðối với thực vật bậc cao, nguồn nitơ cơ bản ủể tạo amoniac là nitrate. Nitrate ủược hấp thụ và bị khử nhanh chóng tại rễ. đôi khi quá trình khử kết thúc ngay tại rễ. Sự khử nitrate thành amoniac trải qua hai giai ủoạn: nitrate bị khử thành nitrite và nitrite bị khử thành ion amonium. Nitrate reductase xỳc tỏc cho giai ủoạn thứ nhất, phản ứng như sau:
NO3- + 2 H+ + 2 e-→ NO2- + H2O
ðiện tử cung cấp cho phản ứng khử này ủược ủược lấy từ NADH,H+. Ở một số thực vật, ủiện tử ủược lấy từ NADH,H+ hoặc NADPH,H+. Về mặt cấu tạo, nitrate reductase gồm hai tiểu ủơn vị giống nhau gắn với hai cofactor bao gồm FAD, hem (cytochrome b5) và Mo. Quá trình vận chuyển ủiện tử do ủú sẽ diễn ra như sau: NADH,H+→ FAD → cytochrome b5 → Mo → NO3-.
Nitrite reductase xỳc tỏc cho giai ủoạn thứ hai.
NO2- + 8 H+ + 6 e-→ NH4+ + H2O
Nitrite reductase ủược cấu tạo từ một tiểu ủơn vị, nhúm siroheme và một trung tõm Fe4S4.
NADH,H+ hoặc NADPH,H+, chất cho ủiện tửủược lấy từ quỏ trỡnh quang hợp và hụ hấp của cõy vỡ thể hoạt ủộng của hai enzyme nitrate reductase và nitrite reductase cú liờn quan mật thiết với hoạt ủộng quang hợp của cõy. Ở cỏc bộ phận khỏc nhau của cõy, hoạt tớnh hai enzyme này khỏc nhau, thông thường ở rễ cao hơn ở thân và lá.
b. Quỏ trỡnh cố ủịnh nitơ phõn tử
Bản chất húa sinh của quỏ trỡnh cốủịnh nitơ phõn tử chớnh là sự khử nitơ phõn tử thành amoniac.
Quỏ trỡnh này cú thể thực hiện ủược hoặc bởi vi sinh vật sống ủộc lập như vi khuẩn hiếu khớ (Azotobacter) và kỵ khớ (Clostridium) trong ủất hay vi khuẩn quang hợp hoặc bởi một số vi khuẩn thuộc giống Rhizobium sống cộng sinh với thực vật bậc cao như cõy họủậu tạo thành một bộ phận tại rễ của cõy gọi là nốt sần. Tại nốt sần xảy ra quỏ trỡnh cốủịnh nitơ phõn tử.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Giỏo trỡnh Hoỏ sinh ủại cương...……… …… 92
Năng lượng cần thiết cho vận chuyển một ủiện tửủến khử nitơ phõn tử là 2 ATP, do ủú phương trình tổng quát là:
N2 + 8 H+ + 8 e- + 16 ATP → 2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi
Xỏc tỏc cho quỏ trỡnh cốủịnh nitơ phõn tử là enzyme nitrogenase. Enzyme này bao gồm hai thành phần: phần I có tên gọi là dinitrogenase và phần II có tên gọi là dinitrogenase reductase. Phần I có khối lượng 200-250 kDa, ủược cấu tạo từ bốn tiểu ủơn vị, 32 nguyờn tử Fe, 32 nguyờn tử S, 2 nguyờn tử Mo. Cỏc nguyờn tử này phõn thành hai nhúm prosthetic trong ủú 16 Fe và 16 S tạo thành 4 trung tõm Fe4S4, phần cũn lại tạo thành hai cofactor ủồng nhất là FeMo-Co là nơi xảy ra sự khử nitơ phõn tử. Phần II cú khối lượng 57-72 kDa, ủược cấu tạo từ hai tiểu ủơn vị liờn kết với nhau qua một trung tõm Fe4S4, tại ủõy chứa trung tõm tương tỏc với ATP-Mg.
Năng lượng dựng ủể khử nitơ phõn tửủược lấy từ cỏc hợp chất hữu cơ trong tế bào. Ở cõy họủậu, năng lượng này nằm dưới dạng NADPH,H+. NADPH,H+ chuyển ủiện tử cho phần II của nitrogenase qua ferredoxine hoặc flavodoxine, sau ủú ủiện tửủược chuyển từ phần II sang phần I của nitrogenase và tại trung tõm phản ứng ủiện tửủược chuyển cho nitơ phõn tửủể khử nitơ phõn tử thành NH3. Ở trung tõm phản ứng nằm trong phần I, Mo là nguyờn tử duy nhất gắn ủược với nitơ. Sau khi NH3ủược tạo thành, nú sẽủược chuyển húa và sử dụng ủể tổng hợp nờn cỏc hợp chất hữu cơ khỏc nhau trong ủú cú cỏc aminoacid.
c. Nguồn mạch carbon của các aminoacid
Quỏ trỡnh sinh tổng hợp cỏc aminoacid rất ủa dạng nhưng chỳng ủều cú ủặc ủiểm chung quan trọng là mạch carbon của cỏc aminoacid ủều là sản phẩm trung gian của quỏ trỡnh ủường phõn, chu trỡnh Krebs và chu trình pentosophosphate. Dựa trên nguyên liệu khung carbon, các aminoacid có thể ủược chia thành 6 nhúm như sau:
- Glutamic acid , glutamine, proline, arginine ủược tổng hợp từα-cetoglutaric acid - Serine, cysteine, glycine ủược tổng hợp từ 3-phosphoglyceric acid
- Phenylalanine, tyrosine, tryptophane, tyrosine ủược tổng hợp từ phosphoenolpyruvic acid và erythrose-4-phosphate.
- Aspartic acid , asparagine, methionine, threonine, isoleucine và lysin ủược tổng hợp từ oxaloacetic acid.
- Alanine, valine, leucine ủược tổng hợp từ pyruvic acid - Histidine ủược tổng hợp từ ribose-5-phosphat
d. Sinh tổng hợp các aminoacid sơ cấp
Aminoacid ủầu tiờn ủược hỡnh thành từ khung carbon của α-cetoglutaric acid, sản phẩm trung gian của chu trình Krebs là glutamic acid và glutamine. Trong cơ thể sinh vật, hai aminoacid này bao giờ cũng có hàm lượng cao hơn hẳn các aminoacid khác.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Giỏo trỡnh Hoỏ sinh ủại cương...……… …… 93
Với sự tham gia của glutamate synthetase, nhúm amine ủược chuyển tử glutamine ủến α- cetoglutaric tạo thành hai phân tử acid glutamic.
Alanine hoặc aspartic acid cũng cú thểủược tạo thành bằng cỏch amine húa pyruvic acid hoặc oxaloacetic acid, là sản phẩm trung gian của quá trình chuyển hóa glucid. Các aminoacid hình thành theo ủường hướng này gọi là cỏc aminoacid sơ cấp vỡ chỳng ủược tạo ra trước tiờn và cú thể là nguyờn liệu ủể tổng hợp nờn cỏc aminoacid khỏc.
e. Sinh tổng hợp các aminoacid thứ cấp
Cỏc aminoacid ủược tổng hợp theo sơủồ: trước tiờn xảy ra phản ứng chuyển amin hoỏ tạo thành aminoacid mới, sau ủú xảy ra cỏc biến ủổi của gốc R ủể tạo thành gốc R của aminoacid. Phản ứng chuyển amine hóa xảy ra giữa aminoacid và cetoacid với sự xúc tác của aminotransferase là enzyme hai cấu tử có nhóm ngoại là phosphopyridoxal (ester của acid phosphoric và vitamine B6). Phương trình phản ứng như sau:
Aminotransferase là enzyme hai thành phần, cỏc nghiờn cứu ủều khẳng ủịnh enzyme này cú nhiều trung tõm hoạt ủộng vỡ thế sự tương tỏc giữa aminoacid và cetoacid với trung tõm hoạt ủộng của enzyme diễn ra rất nhịp nhàng và phản ứng tạo aminoacid thứ cấp diễn ra nhanh chóng.
5.1.2. Sự biến ủổi cỏc aminoacid
Cỏc aminoacid trong cơ thể sinh vật về cơ bản ủược sử dụng làm nguyờn liệu ủể sinh tổng hợp protein hoặc chịu sự biến ủổi theo nhiều hướng khỏc nhau. Sự biến ủổi xảy ra theo cỏc phản ứng của nhóm amine, carboxyl và của mạch bên R.
a. Các phản ứng theo nhóm α- amine
ðõy là cỏc phản ứng biến ủổi aminoacid thành NH3 và cỏc sản phẩm tương ứng, cú thể tiến hành theo một số cách khác nhau:
- khử amine hóa bằng cách khử
- khử amine hóa bằng cách oxi hóa
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Giỏo trỡnh Hoỏ sinh ủại cương...……… …… 94
- khử amine hóa bằng thủy phân
- khử amine hóa bằng chuyển hóa nội phân tử
Trong cỏc ủường hướng trờn, khử amine húa bằng cỏch oxi húa xảy ra thường xuyờn nhất trong tế bào sinh vật. Sản phẩm của phản ứng là cỏc cetoacid sẽủi vào chu trỡnh Krebs. Nhúm amine bị tỏch ra trong ủa số trường hợp ủược chuyển ủến α-cetoglutaric acidủể tạo glutamic acid .
b. Các phản ứng theo nhóm carboxyl
Theo nhúm carboxyl, cỏc aminoacid cú thể biến ủổi theo hai hướng sau:
- Phản ứng khử carboxyl hóa
Trong tế bào ủộng, thực vật ủều cú thể dễ dàng xảy ra phản ứng này tuy nhiờn phổ biến hơn cả vẫn là trong tế bào vi sinh vật. Mỗi aminoacid bị khử carboxyl hóa nhờ sự xúc tác của một enzyme decarboxylase tương ứng nghĩa là enzyme này cú tớnh ủặc hiệu cao.
Sản phẩm của quá trình khử carboxyl hóa các aminoacid là các amine, diamine và CO2. Các amine và diamine cú vai trũ nhất ủịnh ủối với sự trao ủổi chất của cơ thể chẳng hạn histamine (histidine bị decarboxyl húa) làm tăng hoạt ủộng của tuyến nội tiết, giảm ỏp suất mỏu; γ- aminobutyrate ( glutamic acid bị decarboxyl húa) cú ảnh hưởng ủối với hoạt ủộng của cỏc tế bào tầng rời ở cuống lỏ của thực vật. Trong ủiều kiện bất lợi của mụi trường, cỏc amine và diamine bị tớch tụ lại, gõy ủộc hại cho tế bào, cũn trong ủiều kiện thuận lợi, chỳng bị oxi húa dưới tác dụng của oxidase tạo NH3 và aldehyde tương ứng.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Giỏo trỡnh Hoỏ sinh ủại cương...……… …… 95
Cỏc aldehyde lại tiếp tục bị oxi húa ủể tạo thành CO2, H2O và NH3. ðõy là cỏc sản phẩm cuối cựng của sự phõn giải cỏc amine ở người và ủộng vật bậc cao, chỳng ủược thải ra ngoài qua nước tiểu. Ở thực vật, chỳng cú thểủược tỏi sử dụng tạo cỏc aminoacid. Ngoài ra, tế bào cũn cú thể dựng cỏc amine và diamine ủể tạo cỏc polyamine, một hợp chất làm ổn ủịnh ribosom.
- Phản ứng tạo phức aminoacyladenylate
Ở dạng này, aminoacid ủược hoạt húa và cú thể gắn dễ dàng với tRNA ủể ủược chuyển ủến ribosom.
c. Cỏc phản ứng liờn quan ủến gốc R
Gốc R của cỏc aminoacid cú cấu tạo húa học khỏc nhau nờn cỏc phản ứng liờn quan ủến gốc R ủa dạng và vụ cựng phong phỳ. Nhiều phản ứng trong chỳng ủược diễn ra trong quỏ trỡnh trao ủổi aminoacid, trong ủú quan trọng nhất là phản ứng biến ủổi aminoacid này thành aminoacid khỏc.
Nhờ phản ứng này mà khả năng tổng hợp các aminoacid tăng lên nhiều lần, nhất là các aminoacid khụng thay thếởủộng vật bậc cao. Sau ủõy xin giới thiệu một số phản ứng chớnh.
- phản ứng oxi hóa gốc
- phản ứng thủy phân gốc
- phản ứng oxi hóa khử gốc chứa lưu huỳnh
- loại trừ acetaldehyde ra khỏi gốc
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Giỏo trỡnh Hoỏ sinh ủại cương...……… …… 96