Trao đổi chất và trao đổi năng lượng - Vitamin

1
Chương 2
Vitamin
Vitamin là những chất hữu cơ có trọng lượng phân tử bé, có cấu tạo
hoá học rất khác nhau và có hoạt tính sinh học nhằm đảm bảo cho các quá
trình hoá sinh và sinh lý trong cơ thể tiến hành được bình thường, và do
đó, có ảnh hưởng rất lớn đối với sự trao đổi chất.
Vitamin không được tổng hợp ở động vật bậc cao, vì vậy chúng
phải được tiếp nhận cùng với thức ăn. Nhiều vitamin là tiền chất của
cofactor (vitamin nhóm B) tham gia vào các phản ứng enzyme, trong khi
đó những vitamin khác tham gia vào quá trình nhìn và điều khiển sự sao
chép (vitamin A), các phản ứng khử (vitamin C và E), tạo xương (vitamin
D), đông máu (vitamin K) v.v…
Các vitamin có cấu tạo hoá học rất khác nhau. Thường chúng được
phân loại dựa vào độ hoà tan:
Nhóm vitamin hoà tan trong nước: B
1
, B
2
, B
6
, B
12
, C, folate,
pantothenate, biotin. Chúng được tích luỹ chỉ với lượng ít. Lượng dư thừa
được thải ra qua nước tiểu.
Nhóm vitamin hoà tan trong chất béo: A, D, E, K. Lượng dư thừa
được tích lũy và dẫn đến hiện tượng thừa vitamin (đặc biệt vitamin A và
E).

2.1 Các vitamin hoà tan trong nước
2.1.1 Thiamin (vitamin B
1
)
Thiamin được pyrophosphoryl hoá thành coenzyme
thiaminpyrophosphate (TPP), tham gia xúc tác phản ứng khử carboxyl hoá
bằng cách oxy hoá và phản ứng chuyển nhóm aldehyd hoạt hoá. Phản ứng
này đóng một vai trò quan trọng trong trao đổi chất.
TPP là nhóm prostetic của pyruvat-dehydrogenase, pyruvat-
decarboxylase, 2-oxoglutarat-dehydrogenase và transcetolase và như vậy
nó tham gia vào quá trình đường phân, chu trình citrate, pentose-
phosphate và Calvin.
a. Decarboxylase: xúc tác cho phản ứng loại nhóm carboxyl của
pyruvic acid, -cetoglutaric acid.
b. Transcetolase: xúc tác cho phản ứng vận chuyển glycoaldehyd
(CH
2
OH-CO-). Ví dụ phản ứng chuyển đoạn 2C (C
1
và C
2
) của
xylulose 5-phosphate đến ribose 5-phosphate tạo thành
sedoheptulose 7-phosphate và glyceraldehyd-3-phosphate.

2

Sinh tổng hợp
Hai thành phần của thiamine là pyrimidine và thiazol được tổng hợp
riêng và sau đó được kết hợp lại với nhau. Các đường hướng tổng hợp là

khác nhau ở sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân chuẩn.
Trong E.coli và S.thyphimurium 5’-phosphoribosyl-5-aminoimidazol
(AIR) là tiền chất của pyrimidine. Ở E.coli pyruvat và D-glyceraldehyd là
các tiền chất của thiazol. Chúng lắng kết thành 1-desoxy-D-xylulose, chất
này được gắn các nguyên tử C 4’, 4, 5, 6, 7. Nguồn gốc của C
2
và N
3
là
tyrosine, nguyên tử S bắt nguồn từ cysteine. Pyrophosphatester của thành
phần pyrimidine tham gia vào phản ứng gắn. Bằng một phản ứng
pyrophosphoryl hoá vitamin được chuyển thành coenzyme.









B
1
có nhiều trong cám gạo, gan, thận,… Mầm ngũ cốc và nấm men
là nguồn rất giàu vitamin này.
Cơ thể người hằng ngày cần 1-1,5 mg vitamin B
1
. Thiếu vitamin
này ảnh hưởng đến quá trình trao đổi carbohydrate dẫn đến bệnh phù
thủng, hay còn gọi là bệnh beri-beri, rối loạn thần kinh và ảnh hưởng đến

chức năng của tim. B
1
chỉ bền với nhiệt trong môi trường acid, còn trong
môi trường kiềm nó bị phân huỷ nhanh chóng khi đun nóng. Khi oxy hoá
B
1
chuyển thành một hợp chất gọi là thiocrome phát huỳnh quang. Tính
chất này được sử dụng để định lượng vitamin B
1
.
Hàm lượng B
1
trong nguyên liệu có thể thay đổi tuỳ thuộc điều kiện
bảo quản và chế biến. Ví dụ: gạo xát kỹ hàm lượng B
1
bị giảm 4 lần so với
ban đầu. Độ ẩm khi bảo quản nguyên liệu (thóc, gạo) càng cao, hàm lượng
vitamin B
1
bị giảm càng mạnh.

2.1.2 Riboflavin (vitamin B
2
)
NH
2
N
H
3
C

CH
2
*
N
S
CH
2
– CH
3
H
CH
3
Thiamin (vitamin B
1
)

3
Trước kia B
2
được gọi là lactoflavin vì lần đầu tiên được tách ra từ
sữa. Bên cạnh nicotinamid-nucleotide NAD
+
và NADP
+
flavin-nucleotide
FAD và FMN là những nhóm vận chuyển hydro quan trọng. Chúng tham
gia hơn 100 phản ứng oxy hoá khử. Ví dụ, quá trình khử carboxyl hoá
bằng cách oxy hoá pyruvic acid, oxy hoá acid béo, khử amin hoá bằng
cách oxy hoá amino acid... Coenzyme này được tạo nên từ riboflavin bằng
phosphoryl hoá (FMN) và tiếp theo adenyl hoá (FAD).

Riboflavin (vitamin B

2
)
N
H
3
C
N
NH
N
O
O
H
3
C

CH
2

HC-OH

HC-OH

HC-OH

CH
2
OH
Flavinmononucleotide (FMN)
N
H

3
C
N
NH
N
O
O
H
3
C

CH
2

HC-OH

HC-OH

HC-OH

CH
2
OP

4

FAD

Sinh tổng hợp và biến đổi
Riboflavin được tạo nên từ GTP và ribulose-5-P trong thực vật, nấm

men và nhiều vi sinh vật.
Phản ứng tổng hợp bắt đầu bằng việc mở vòng imidazol của GTP và
tách ra một gốc pyrophosphate. Bằng phản ứng khử amin hoá, phản ứng
khử và tách ra gốc phosphate còn lại làm xuất hiện 5-amino-6-
ribitylamino-2,4-pyrimidindion. Phản ứng của chất này với 3,4-dihydroxy-
2-butanon-4-P (chất này xuất hiện từ ribulose-5-P) tạo nên phân tử có hai
vòng 6,7 dimethyl-8-ribityllumazin. Hợp chất này kết hợp với 5-amino-6-
ribitylamino-2,4-pyrimidindion thành riboflavin. Phosphoryl hoá
riboflavin tạo nên flavinmononucleotide (FMN). Bằng phản ứng adenyl
hoá tiếp theo làm xuất hiện flavin-adenin-dinucleotide (FAD). Sự
phosphoryl hoá riboflavin ở động vật được điều khiển chính xác bằng
hormone tuyến giáp trạng.




5

Thiếu vitamin B
2
ảnh hưởng đến quá trình oxy hoá khử làm ảnh
hưởng đến quá trình tạo năng lượng cần thiết cho sự sinh trưởng và phát
triển của cơ thể. Thiếu vitamin gây ra những rối loạn về sinh trưởng và các
bệnh về da. Tuy nhiên những bệnh này tương đối hiếm.
Nhu cầu vitamin B
2
hàng ngày của người lớn khoảng 1,4 - 2 mg.
Sản phẩm phân giải và sản phẩm thải ra ở người là riboflavin. Các bước
phân giải khác (đặc biệt ở vi khuẩn) là hydroxyl hoá các gốc methyl và
làm ngắn chuỗi ribityl.
Chức năng hoá sinh
Guanosin
triphosphate
GTP
Hydrolase II
2-diamino-6-

ribosylamino-3 (3H)-
pyrimidine 3’-P
3H
2
O
HCOOH
PP
i
5-diamino-6-ribosylamino-2,4
(1H,3H)-pyrimidinedione 5’-P
Pirimidine
Desaminase
H
2
O
NH
3

NADPH
NADPH + H
+
5-diamino-6-ribotylamino-2,4
(1H,3H)-pyrimidinedione 5’-P
NADPH + H
+
NADPH
NH
3

H

2
O
Uracil
reductase
5-diamino-6-ribotylamino-2,4
(1H,3H)-pyrimidinedione
H
2
O
P
i
Phosphatase
Ribulose-5-
phosphate
3,4-Dihydroxy-2-
butanone-4-P
6,7-Dimethyl-8-
ribityllumazine
Riboflavin (vitamin B
2
)

P
i
HCOOH
Formate
Mg
++
6,7-Dimethyl-8-
ribityllumazine

synthase
Riboflavin
synthase

6
Chức năng oxy hoá khử của FMN và FAD là do vòng isoalloxazin
chịu trách nhiệm. Ở một phản ứng khử hoàn toàn hai điện tử và hai proton
được tiếp nhận.
Dạng oxy hoá của riboflavin là những tinh thể vàng da cam, hấp thụ
ở bước sóng 370 và 450 nm. Dạng khử của nó không màu và mất tính hấp
thụ ở 450 nm. Các coenzyme flavin nucleotide dạng khử cũng có thể bị
oxy hoá trở lại khi có các chất nhận điện tử như xanh methylen, 2,6-
diclorophenolindophenol
FADH
2
+ xanh methylen FAD + xanh methylen
(dạng oxy hoá màu xanh) (dạng khử không màu)
Có thể sử dụng các tính chất trên để theo dõi các phản ứng do flavin
dehydrogenase xúc tác.
Tinh thể vitamin B
2
ở dạng khô tương đối bền với nhiệt hơn vitamin
B
1
, tuy nhiên vitamin này không bền dưới tác dụng của ánh sáng. Ngược
với vitamin B
1
, hàm lượng vitamin B
2
trong gạo, thịt, trứng, sữa biến đổi

không nhiều trong quá trình bảo quản và chế biến.

2.1.3 Pyridoxin (vitamin B
6
)

Pyridoxin (pyridoxol), pyridoxal và pyridoxamine tạo nên nhóm
vitamin B
6
. Cả 3 dạng này dễ dàng chuyển hoá lẫn nhau. Dẫn xuất của
vitamin B
6
là pyridoxalphosphate (PLP) là coenzyme của nhiều enzyme.
Pyridoxal- và pyridoxamin-phosphate là coenzyme quan trọng cùng tác
động ở một số lớn các phản ứng biến đổi amino acid, ví dụ ở phản ứng
transaminase, decarboxylase và dehydratase. Vitamin B
6
cũng là thành
phần cấu tạo của phosphorylase xúc tác cho phản ứng phân giải glycogen.
Ngoài ra vitamin B
6
còn có vai trò quan trọng trong quá trình sinh tổng
hợp NAD
+
, coenzyme A... Do đó thiếu vitamin này ảnh hưởng đến nhiều
quá trình trao đổi proteine, saccharide, lipid, dẫn đến rối loạn về thần kinh
và trao đổi amino acid.
Sinh tổng hợp và biến đổi
Một số vi khuẩn, nấm men và thực vật tổng hợp được pyridoxine.
Động vật nhai lại cũng không cần có vitamin B

6
trong thức ăn vì vi sinh
vật trong ruột của chúng có thể tổng hợp vitamin này để cung cấp cho
động vật chủ. Các động vật khác cần phải được cung cấp vitamin này từ
bên ngoài.
Sản phẩm ngưng tụ của pyruvate và D-glyceraldehyd là 1-desoxy-D-
xylulose cung cấp nguyên tử C 2’, 2, 3, 4 và 4’. Erythrose 4-P được biến

7
đổi thành 4-hydroxy-L-threonine. Hợp chất này cung cấp nguyên tử C 5’,
5, 6 và N-1. Pyridoxine điều khiển quá trình tổng hợp bằng ức chế ngược.
Loại hydro của pyridoxine thành pyridoxal cho đến nay chỉ được quan sát
thấy trong vi khuẩn.







Ở động vật pyridoxine, pyridoxal và pyridoxamine sau khi hấp thụ
được phosphoryl hoá nhờ enzym kinase. Kinase này bị ức chế bằng sản
phẩm của nó. Bằng phản ứng oxy hoá pyridoxinephosphate và
pyridoxaminephosphate biến đổi thành pyridoxalphosphate. Phản ứng này
cũng bị ức chế bằng sản phẩm của nó.
Lượng bổ sung hàng ngày cần thiết ở người lớn khoảng 2 mg. Sự
phân giải bắt đầu bằng phản ứng do phosphatase xúc tác. Sự phân giải tiếp
theo của vitamin này thực hiện bằng một phản ứng oxy hoá để tạo thành
carbonic acid-4-pyridoxat, chất không có hoạt tính sinh học.

2.1.4 Cobalamin (vitamin B
12
)

Cobalamin là một trong những phân tử sinh học không trùng hợp
lớn nhất. Nguyên tử coban ở trung tâm gắn liên hợp với 6 thành phần: Bốn
thành phần là pyrrol của vòng corrin, một thành phần là nucleotide bất
thường dimethylbenzimidazol và thành phần thứ sáu có thể là gốc
hydroxyl (vitamin B
12
), gốc methyl (methylcobalamin), hoặc gốc 5’-
desoxyadenosyl (desoxyadenosylcobalamin, coenzyme B
12
). Dạng vitamin
B
12
trên thị trường: thành phần thứ 6 là một gốc cyanid.
Sinh tổng hợp coenzyme và phản ứng khử vitamin
Coenzyme B
12
được tổng hợp nhiều bước trong vi sinh vật. Bước
thứ nhất giống nhau giữa hem và chlorophyll. Những phản ứng tiếp theo
có nhiều biến đổi.


H
2
C-OH
HO
H

3
C
CH
2
-O-P
H
H
N

H-C=O
HO
H
3
C
CH
2
-O-P
H
H
N

H
2
C-NH
2
HO
H
3
C
CH

2
-O-P
H
H
N

Pyridoxamine-P
Oxydase
Pyridoxamine-P
Oxydase
O
2
H
2
O O
2
NH
3
H
2
O
2