CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về Coenzyme Q10 Coenzyme Q (CoQ), còn được đặt tên là ubiquinone, ubidecarenone là một coenzyme phổ biến được tìm thấy ở khắp nơi trong hệ thống sinh học, được tổng hợp bằng cách kết hợp giữa vòng benzoquinone với chuỗi isoprenoid có chiều dài thay đổi. Ở người, dạng phổ biến nhất của Coenzyme Q là Coenzyme Q10 (CoQ10) hoặc ubiquinone-10. Cấu trúc hoá học chứa 1,4-benzoquinone, trong đó Q là nhóm hóa chất quinone và 10 là số lượng tiểu đơn vị hóa học isoprenyl ở đuôi của nó.
Cấu trúc Coenzyme Q10 dạng oxy hoá (a) và dạng khử (b). Hoạt tính sinh học của Coezyme Q10 Theo các nghiên cứu trong và ngoài nước, CoQ10 có một số chức năng sinh hóa bao gồm chuyển hoá năng lượng, chống oxy hoá, kích thích sự phát triển của tế bào. CoQ10 là một phần thiết yếu của bộ máy tế bào được sử dụng để sản xuất ATP, cung cấp năng lượng cho sự co cơ và các chức năng quan trọng khác của tế bào. Giai đoạn chính của quá trình sản xuất ATP xảy ra ở màng trong của ti thể, nơi CoQ10 được tìm thấy.
CoQ10 chuyển các điện tử từ chất nền sơ cấp đến hệ thống oxidase đồng thời chuyển các proton ra bên ngoài màng ty thể. Khi các proton quay trở lại bên trong thông qua bộ máy enzyme để tạo ra ATP, chúng thúc đẩy sự hình thành ATP [4]. Ngoài ra, CoQ10 còn có tính chống oxy hoá mạnh và có khả năng loại bỏ các gốc tự do. Do dạng tồn tại chính của CoQ10 trong màng tế bào là quinol (dạng khử) nên nó có thể là một chất chống oxy hoá hiệu quả [4].
Bên cạnh đó, dạng khử của CoQ10 còn có thể phản ứng với các lipid hoặc oxy radical, tạo thành quinone radical- một loại gốc tự do có thể dễ dàng bị khử bởi các enzyme tồn tại trong màng tế bào 3 như NADH cytochrome b5 reductase, NADH / NADPH oxidoreductase và NADPH coenzyme Q reductase. Coenzyme Q có thể tham gia vào một số khía cạnh của quá trình kiểm soát quá trình oxy hóa khử gốc và truyền tín hiệu trong tế bào. Quá trình tự oxy hóa của bán quinone được hình thành trong các màng khác nhau trong quá trình vận chuyển điện tử có thể là cơ sở chính để tạo ra H2O2. H2O2 lại kích hoạt các yếu tố phiên mã để gây ra biểu hiện gen.
Peroxide cũng có thể tham gia vào quá trình truyền tín hiệu canxi trong cơ tim, cũng có thể là quá trình tạo ra các loại phản ứng oxy hoá có thể dẫn đến sự ức chế các gen khác. Quinone cũng có thể tham gia vào quá trình oxy hóa các nhóm thiol trên các thụ thể yếu tố tăng trưởng hoặc các kênh ion màng. Với nhiều hoạt tính về mặt sinh học, CoQ10 ngày càng được ứng dụng rộng rãi làm nguồn thực phẩm chức năng, giúp cải thiện sức khỏe; được đưa vào mỹ phẩm làm đẹp như một chất chống oxy hóa, chống lão hóa để giúp cơ thể trẻ hóa; được ứng dụng trong y tế nhằm ngăn ngừa ung thư, điều trị nhiều bệnh về tim mạch, tiểu đường, Parkinson, tăng cường hệ thống miễn dịch [19]. Phương pháp tổng hợp Coenzyme Q10 Với hoạt tính sinh học và ứng dụng quan trọng như hỗ trợ sức khoẻ tim mạch, chống lão hoá và suy thoái thần kinh, tăng sức đề kháng, kháng ung thư… việc tổng hợp CoQ10 đã nhận được sự quan tâm sâu sắc của các nhà khoa học.
Để tổng hợp CoQ10 trong công nghiệp, người ta sử dụng hai phương pháp: phương pháp tổng hợp hoá học và phương pháp sinh hoá. Phương pháp tổng hợp hoá học cơ bản dựa trên việc áp dụng các phương pháp tổng hợp hiện đại kết hợp với hệ mạch terpenoid có sẵn của solanesol. Về cơ bản, CoQ10 được tổng hợp hoá học dựa trên sự ghép nối hai hợp phần: hợp phần thơm (CoQ10) và hợp phần terpenoid. Có hai cách cơ bản đã và đang được áp dụng để kết nối hai hợp phần này.
Phương pháp thứ nhất là sử dụng phản ứng thế benzylic (hình 1. Phương pháp này có lợi thế là phần điều chế hợp phần thơm khá đơn giản, nhưng đòi hỏi điều chế mạch terpenyl trong điều kiện phức tạp như sử dụng toàn lượng trimetyl nhôm, butyl lithium (tác nhân dễ cháy nổ, đòi hỏi điều kiện trơ) và 4 Cp2ZrCl2. Cách tiếp cận này chủ yếu phục vụ mục tiêu học thuật nhằm vượt qua sự thách thức về chọn lọc lập thể khi điều chế nhánh terpenoid. Phương pháp thứ hai là sử dụng phản ứng thế allylic (hình 1.
Phương pháp này sử dụng dẫn suất nucleophil/electrophil của solanesol ghép nối với hợp phần thơm chứa nhóm allyl electrophile/nucleophile. Theo phương pháp này, hợp phần thơm được xây dựng chủ yếu dựa trên chuỗi phản ứng a-lithi hoá nhân thơm và thế nucleophil hoặc các phản ứng allyl hoá nhân benzene bằng phản ứng Friedel-Craft. Phương pháp 2 này có ưu điểm là tận dụng mạch terpenoid có sẵn của solanesol, bởi vậy đây là phương pháp có lợi thế trong ứng dụng tổng hợp qui mô lớn. Tuy nhiên, có hai điểm bất lợi của phương pháp này sử dụng các phản ứng toàn lượng (SeO2) mà không tận dụng các xúc tác hiện đại (tiêu chí của hoá học xanh) nên sẽ gặp vấn đề khi sản xuất với lượng lớn trong công nghiệp (nguồn hoá chất, xử lý phản ứng, chất thải).
Phương pháp tổng hợp hoá học CoQ10. sử dụng phản ứng thế benzylic [34]. sử dụng phản ứng thế allylic [16]. Tuy nhiên phương pháp tổng hợp hoá học CoQ10 có hiệu suất khá thấp, trong khi vi khuẩn tạo ra CoQ10 với hiệu suất tốt hơn.
Đối với nhu cầu ngày càng tăng của ngành công nghiệp dược phẩm, việc sản xuất CoQ10 bằng cách sử dụng các nguyên liệu sinh học ngày càng trở nên phổ biến. Hai chủng vi sinh vật được sử dụng nhiều trong quy trình tổng hợp sinh hoá CoQ 10 là E. Quy trình tổng hợp sinh hoá CoQ10 sử dụng vi khuẩn E. Tổng quan về Vitamin B2 Vitamin B2 hay còn được gọi là Riboflavin, là một loại vitamin tan trong nước, tham gia vào quá trình chuyển hóa năng lượng và một loạt các quá trình tế bào.
Nó hoạt động bằng cách giúp cơ thể sử dụng các vitamin B khác như niacin và thiamine, vì vậy chúng ta có thể sản xuất năng lượng từ thực phẩm chúng ta ăn Hình 1. Cấu trúc Vitamin B2 1. Hoạt tính sinh học của Vitamin B2 Trong cơ thể, Riboflavin cần thiết cho sự hình thành hai coenzyme chính là FMN và FAD. Các coenzyme này tham gia vào quá trình chuyển hóa năng lượng, hô hấp tế bào, sản xuất kháng thể, tăng trưởng và phát triển.
Trong đó, FAD góp phần chuyển đổi tryptophan thành niacin (Vitamin B3) và FMN cần thiết cho sự chuyển đổi vitamin B6 thành coenzyme pyridoxal 5'-phosphate [25]. Trong quá trình chuyển 8 hoá chất béo, cacbohydrate và protein, các coenzyme này giúp oxy hoá các hợp chất, tạo thành năng lượng. Bên cạnh đó, có nghiên cứu chỉ ra rằng Vitamin B2 còn có tương tác với sắt trong máu. Sự thiếu hụt Vitamin B2 có thể dẫn đến thiếu hụt sắt, giảm lượng hồng cầu, đồng thời khiến cơ thể không thể hấp thụ sắt từ các nguồn cung cấp như thực phẩm và thực phẩm chức năng [25].
Ở các khu vực thường có bệnh hiểm nghèo trên thế giới, có nghiên cứu chỉ ra rằng một vài bệnh hiểm nghèo có liên quan đến lượng riboflavin thấp trong chế độ ăn uống thường ngày. Trong một số nghiên cứu, sự thiếu hụt riboflavin sinh hoá có liên quan đến mức độ ký sinh trùng tế bào máu.Ví dụ như bệnh sốt rét, mặc dù cả nghiên cứu trên động vật và con người đều không chỉ ra rằng thiếu riboflavin gây ra các di chứng đe dọa tính mạng của bệnh sốt rét, nhưng có thể chỉ ra được sự tương tác giữa ký sinh trùng và flavins trong tế bào. Một số loại thuốc dự phòng được sử dụng để ngăn ngừa nhiễm trùng sốt rét có cấu trúc tương tự riboflavin. Một số vi chất dinh dưỡng, đặc biệt là những vi chất có chức năng chống oxy hóa trong các mô sống, có thể cung cấp một số biện pháp bảo vệ chống lại các bệnh thoái hóa về mắt, chẳng hạn như đục thủy tinh thể.
Các mô hình nghiên cứu dịch tễ học và một nghiên cứu ở Trung Quốc đưa ra ý kiến rằng lượng riboflavin hấp thụ vào cơ thể đầy đủ thông qua ăn uống hoặc từ các loại thực phẩm chức năng bổ sung riboflavin, có thể bảo vệ thuỷ tinh thể. Nghiên cứu này được đánh giá khá khả quan và đáng được nghiên cứu thêm. Một vai trò hấp dẫn khác của flavoprotein đối với đến chức năng thụ cảm ánh sáng đồng bộ nhịp sinh học với chu kỳ sáng - tối của mặt trời của mắt, hoạt động thông qua các cryptochromes 1 và 2, chứa FAD và hoạt động như các thụ thể quang nhạy cảm với ánh sáng xanh. Ngoài ra, vitamin B2 còn hoạt động như một chất chống oxy hóa, chống lại các gốc tự do trong cơ thể.
Nhờ đó giúp ngăn ngừa một số vấn đề sức khỏe như bệnh tim mạch, ung thư. Phương pháp tổng hợp Vitamin B2 Với những hoạt tính sinh học nổi bật và ứng dụng quan trọng trong việc phòng ngừa và chữa trị các bệnh ung thư, Vitamin B2 và một số dẫn xuất cũng đã được 9 nghiên cứu và tổng hợp. Để tổng hợp Vitamin B2 trong công nghiệp, người ta sử dụng hai phương pháp: phương pháp tổng hợp hoá học và phương pháp lên men các chủng vi sinh vật [17]. Phương pháp tổng hợp hoá học Vitamin B2 Phương pháp tổng hợp hoá học được bắt đầu từ glucose.
Glucose được chuyển hoá thành Ribose nhờ một loại enzyme chính của con đường pentose phosphate. D- ribose sau đó phản ứng với 3,4-xylidine trong methanol. Bước phản ứng này tạo ra riboside. Riboside được tạo thành được hydro hóa để tạo ra N- (3,4-dimethylphenyl)- D-1′-ribamine.
Sản phẩm trung gian này được kết hợp với một halogenide phenyl diazonium, tạo ra hợp chất azo, sau đó được ngưng tụ với barbituric acid để tạo ra riboflavin. Tuy nhiên, quy trình này tồn tại nhiều nhược điểm. Thứ nhất, nó có hiệu suất tối đa xấp xỉ 60% (từ chất nền), do đó tạo ra nhiều chất thải ra môi trường. Thứ hai, quy trình này cần sử dụng dung môi hữu cơ, đồng thời cần sử dụng nhiều hơn 25% năng lượng so với con đường lên men bằng các vi sinh vật.
Vì vậy, quá trình tổng hợp hóa học của vitamin B2 từ glucose đang dần được thay thế bằng quá trình lên men các vi sinh vật. Hai chủng vi sinh vật thường được sử dụng là B. Các chủng này an toàn với môi trường và thường được sử dụng trong ngành thực phẩm và chất bổ sung thức ăn chăn nuôi [17],[27]. Phương pháp tổng hợp sinh hoá Vitamin B2 sử dụng vi sinh vật B.