Chương 1 – TỔNG QUAN CoenzymeQ10 (CoQ10) là một trong những coenzyme tham gia vào chuỗi vận chuyển điện tử12 bám màng ở cả prokaryote và eukaryote, được cấu tạo bởi vòng benzoquinone và chuỗi isoprenoid kỵ nước. CoQ10 còn có tên gọi khác là ubiquinone được đặt bởi giáo sư Morton, mang ý nghĩa là quinone tìm thấy ở mọi tế bào của cơ thể sống36. Ubiquinone có vai trò quan trọng trong việc sản xuất ra ATP (adenosin triphosphat) – nguồn năng lượng sinh học của cơ thể, ước tính có đến 95% năng lượng ATP của con người được tổng hợp bằng con đường này. Trong đó, nồng độ CoQ10 cao nhất được tìm thấy ở các cơ quan cần nhiều năng lượng để hoạt động như tim, gan, thận46,3.1 Lịch sử Coenzyme Q10 Năm 1957, Coenzyme Q10 lần đầu tiên được phân lập từ tim bò bởi Frederick Crane và cộng sự ở viện nghiên cứu Enzyme của trường Đại học Wisconsin- Madison.
Từ dịch chiết của ty thể tim bò các nhà nghiên cứu đã phân lập được một chất mới có các tính chất oxy hóa – khử và được đặt tên là Coenzyme Q10. Năm 1958, CoQ10 đã được xác định chính xác cấu trúc bởi Karl Forkers và có tên theo danh pháp IUPAC là 2,3-dimethoxy-5-methyl-6-decaprenyl-1,4-benzoquinone11. Trong những năm tiếp theo, các nghiên cứu của tiến sỹ Gian Paolo Littarru và Karl Forkers đã chỉ ra rằng những người mà mắc bệnh tim thường liên quan đến thiếu CoQ10 trong cơ thể24. Năm 1974, công ty ở Nhật Bản đã thực hiện quá trình lên men tự nhiên và sản xuất quy mô công nghiệp chất Coenzyme Q10.
Đến năm 1978, nhà hóa sinh người Anh Peter Michell nhận giải thưởng Nobel Hóa học cho những cống hiến của ông về CoQ10. Ông đã giải thích được chức năng vận chuyển điện tử và khả năng chống oxy hóa của CoQ10 trong cơ thể, giúp chúng ta hiểu rõ hơn về nguyên lý hình thành năng lượng sinh học của cơ thể sống33.Bắt đầu những năm 80 của thế kỷ XX, các nhà khoa học đã tiến hành rất nhiều các thử nghiệm lâm sàng và cho kết quả tốt. Từ đó các công ty dược phẩm của Nhật đã sử dụng CoQ10 như một loại thuốc điều trị các bệnh về tim mạch, tiểu đường, Parkinson, tăng hệ thống miễn dịch và ngăn ngừa ung thư. Từ khi phát hiện tìm ra Coenzyme Q10đến nay, các nhà 2 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com khoa học chỉ ra CoQ10 đóng vai trò quan trọng trong sức khỏe con người.
Coenzyme Q10 đóng vai trò quan trọng trong cơ thể nên việc nghiên cứu về CoQ10 được triển khai ở nhiều nước. Ít nhất đã có hơn 10 hội nghị khoa học quốc tế, và các diễn đàn khoa học đề cập đến dược tính và việc ứng dụng CoQ10 trong y học. Cho đến nay đã xuất hiện nhiều loại thuốc chứa CoQ10, trong đó có viên Coenzyme Q10 của hãng dược phẩm chức năng Thụy Điển viết quảng cáo với tiêu đề: “Viên ngọc của tuổi trẻ” vì mang lại năng lượng hằng ngày và giúp “giữ mãi thời gian” (chống lão hóa). Hiện tạicó rất nhiều thực phẩm chức năng chứa chất CoQ10 được sản xuất và sử dụng.2 Cấu tạo của Coenzyme Q10 Đến nay, đã có nhiều loại Coenzyme Q được phân lập và tìm ra, chúng chỉ khác nhau ở số lượng đơn vị isoprenoid ở phần đuôi.Thí dụ Coenzym Q6 có mạch R gồm 6 đơn vị isopren (tìm thấy ở một số vi sinh vật), và Coenzym Q10 có mạch R gồm 10 đơn vị isopren (ở ty thể của động vật), ở thực vật có chất tương tự là plastoquinon.
Ở người chỉ có CoQ10, các Q6 – Q9 khi theo thức ăn vào cơ thể sẽ được biến đổi thành Q10.Khả năng sinh tổng hợp CoQ10 của cơ thể còn tùy thuộc vào sự có mặt đầy đủ của các acid amin, vitamin và các yếu tố vi lượng; nên nếu thiếu các yếu tố này thì lượng CoQ10 trong cơ thể bị giảm sút. CoQ10 hiện diện ở mọi tế bào của cơ thể, là yếu tố không thể thiếu được, vì nó cùng với 3 enzyme khác tổng hợp nên ATP ở ty thể -cung cấp năng lượng trong tế bào. Ubiquinone là hợp chất kỵ nước, tan tốt trong dung môi phân cực, có những tính chất tương tự như vitamin32,35. Cấu trúc hóa học của ubiquinone gồm một vòng quinone liên kết với chuỗi mạch bên isoprenoid.
Coenzyme Q10 có công thức phân tử C59H90O4. Coenzyme Q10 có thể tồn tại dưới 3 trạng thái: dạng khử ubiquinol (CoQH2), dạng trung gian (CoQH·), và dạng oxy hóa ubiquinone (CoQ). Coenzyme Q10 được xác định chủ yếu nằm ở lớp màng trong ty thể của sinh vật nhân chuẩn và màng plasma của sinh vật nhân sơ. CoQH2 là một phần tử rất kỵ nước nằm ở giữa lớp phospholipid kép.
Phần đầu cấu trúc quione, nó có thể chuyển giao điện tử và đuôi 3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com là chuỗi isopreneoid dài bên trong màng ty thể hay màng tế bào chất của các sinh vật, chính phần đuôi này giúp cho phân tử CoQ10 có thể khuếch tán dễ dàng trong lớp màng lipid. Các trạng thái oxy hóa CoQ10 1.3 Sinh tổng hợp và chức năng Coenzyme Q10 1.1 Coenzyme Q10 trong tự nhiên CoQ10 hiện diện trong tự nhiên với số lượng nhỏ trong nhiều loại thực phẩm, nhưng mức độ đặc biệt cao trong các loại nội tạng như tim, gan, thận cũng như thịt bò, dầu đậu nành. Một số loài có chất béo như cá thu, cá trích là những tài nguyên chứa hàm lượng dầu và CoQ10 cao trong mô và cơ của chúng42,45. Ngoài ra CoQ10 cũng có trong trái cây, cây thuốc lá và rau quả nhưng với hàm lượng rất nhỏ53.
Tuy có thể tách chiết từ động vật và thực vật nhưng nồng đồ CoQ10 trong tế bào rất thấp không thể chiết tách ở quy mô công nghiệp, bởi vì hiệu suất thấp và chi phí cao. Thông thường nguồn nguyên liệu của CoQ10 chủ yếu đến từ lên men sinh vật.1 Coenzyme Q10 từ nấm Một số loại nấm men đã được nghiên cứu về khả năng sinh tổng hợp CoQ10, trong đó một vài giống có hàm lượng CoQ10 cao như Cyptococcus,Trichosporon, Dexomyces, Rhdoporium. Bên cạnh đó còn có chủng vi sinh vật khác có khả năng sinh tổng hợp CoQ10, nhưng với hàm lượng thấp hơn như:Bullera, Candida, 4 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Rhodoturola, Sporobolomyces, Utilago1,2. Schizosaccharomyces pombe cũng là một hệ thống phổ biến để sản xuất protein và chất CoQ106.
Saccharomyces cerevisiae cũng đã được đưa vào nghiên cứu, tối ưu quá trình sản xuất CoQ1038. Trong một số loài nấm mốc khác cũng gây chú ý như Neurospora crassa và Aspergillus fumigatus về khả năng sinh tổng hợp CoQ10 nhưng với hàm lượng thấp.2 Coenzyme Q10 từ vi khuẩn CoQ10 từ vi khuẩn đã được hai nhà khoa học là Carr và Exell nghiên cứu từ năm 19655. Đặc biệt, các nghiên cứu đã chọn lọc các chủng có khả năng sinh CoQ10 cao, và đã tìm được các loài A. tumefaciens8, Rhodopseudomonas spheroids và P.
CoQ10 cũng được tìm thấy ở một số vi khuẩn quang hợp như R sphaeroides, R.sulfidophilus51, Rhodospirillum rubrum49. Trong đó hàm lượng CoQ10 đạt cao nhất trong R. Rubrum đạt 10 mg/l. Ngoài ra CoQ10 cũng được thu nhận từ vi khuẩn Sphingomnas sp59, Rhizobium radiobacter44, P.
denitrificans đã được sử dụng cho sản xuất CoQ10 ở quy mô công nghiệp và đạt nồng độ từ 30÷130 mg/l19,51. Trong số các chủng vi sinh vật thì vi khuẩn A. tumefaciens là một trong những vi khuẩn đang được sử dụng để sản xuất CoQ10 hiện nay do chúng có nhiều ưu điểm như có hàm lượng CoQ10 tương đối cao so với các vi sinh vật khác, hơn nữa chúng chỉ tổng hợp CoQ10, môi trường nuôi đơn giản thích nghi với các môi trường khác nhau, rẻ tiền, phù hợp sản xuất ở quy mô công nghiệp7,9,18.2 Sinh tổng hợp Coenzyme Q10 Con đường sinh tổng hợp CoQ10 từ sinh vật bao gồm 2 phần: tổng hợp mạch vòng quinonoid và biến đổi vòng quinonoid; Tổng hợp mạch nhánh decaprenyl diphosphate. - Tổng hợp vòng quinonoid Sự tạo thành 4-hydroxybenzoate (p-HBA) từ chorismate là bước đầu tiên trong quá trình sinh tổng hợp.
Phản ứng được xúc tác bởi enzyme chorismate pyruvatelyase được mã hóa bởi gen ubiC. 5 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.coli p-HBA, tiền chất của vòng quinonoid thu được tạo thành từ con đường shikimate, đây là con đường quan trọng để tổng hợp các acid amin thơm thông qua chorismate, p-HBA được sử dụng cho quá trình prenyl hóa và biến đổi vòng. Ở động vật có vú, p-HBA được tạo thành từ acid amin tyrosine do thiếu con đường shikimate. - Tổng hợp mạch nhánh (decaprenyl diphosphate) Isopentyl diphosphate (IPP) và đồng phân dimethylallyl diphosphate (DMAPP) là tiền chất quan trọng trong quá trình sinh tổng hợp CoQ10, con đường sinh tổng hợp ở động vật là : con đường mevalonate16(MVA).
6 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Sinh tổng hợp IPP theo con đường MEV Quá trình kéo dào mạch isoprenoid (6-10 đơn vị isoprene) được tổng hợp từ ngưng tụ FPP và phân tử IPP với xúc tác chuyển pha trans-prenyl, thu được 100% cấu hình trans50. Bước tiếp theo là phản ứng ngưng tụ giữa chuỗi polyisoprenoid và 4-hydroxybenzoate, thực hiện bởi enzyme polyprenyl-4-hydroxybenzoate. Ngoài ra, quá trình tổng hợp vòng quinone có thể đi từ tyrosine hoặc là phenylalanine.Hai phản ứng đầu tiên đều xảy ra ở trong màng lưới nội chất và peroxisomes ở tế bào động vật.
Sau khi thực hiện phản ứng ngưng tụ, là quá trình biến đổi vòng quinone, ở đây xảy ra các phản ứng: phản ứng C-hydroxylation, decarboxylation, O- methylation và C-methylation. Quá trình sinh tổng hợp này trong tế bào cần 12 gen và quan trọng nhất là enzyme HMG-CoA reductase.3 Chức năng của Coenzyme Q10 Như chúng ta đã biết, hầu hết các chuyển hóa trong cơ thể, trong tế bào của người đều cần sự xúc tác của các loại enzym khác nhau. Để tạo điều kiện cho các enzym này hoạt động có hiệu quả thì cần có các chất hỗ trợ (coenzyme). CoQ10 là một trong nhiều loại coenzyme có trong cơ thể người.
Các nhà khoa học đã chứng minh CoQ10 là yếu tố kết hợp (cofactor) của ít nhất 3 enzyme tại ty thể của mỗi tế bào để tạo ra ATP cung cấp cho tế bào. Coenzyme Q10 có hai chức năng quan trọng nhất: vận chuyển điện tử (electron transport chain –ETC) cho quá trình sản xuất năng lượng sinh học ở ty thể của tế bào; chức năng chống oxy hóa28. Trong thời gian gần đây, Coenzyme Q10 được biết đến với nhiều chức năng khác trong quá trình đồng hóa và dị hóa. Ở trong lớp màng ty thể, điện tử từ NADH (Nicotinamide adenine dinucleotide) và succinate thông qua chức năng ETC kết hợp với oxy, từ đó tách ra một phân tử nước (trong chu trình Krebbs).
Chức năng vận chuyển điện tử đó đưa ion H+ đi qua màng tế bào và từ đó kết hợp với enzyme ATP synthase để tổng hợp nên năng lượng sinh học của cơ thể sống là ATP.