Enzyme Activity

Năng lượng sinh học
Đề tài: Điều hịa q trình
phân giải Hydratcacbon

Người thực hiện: Trần Thị Thùy Trang
Người hướng dẫn: TS. Võ Văn Toàn


MỞ ĐẦU
Đặc trưng đối với trao đổi chất của cơ
thể sống là trạng thái ổn định cao, nghĩa
là xác định chính xác tất cả các q trình
xảy ra. Đó là khả năng phản ứng trong
những điều kiện khác nhau. Trong mỗi
trường hợp mỗi cơ thể đều có các cơ chế
kiểm tra và tự điều hịa để đảm bảo thích
ứng cao nhất với mơi trường xung quanh
và cả q trình sống của chúng.


NỘI DUNG
1. Ngun tắc điều hịa trao đổi chất
1.1. Sơ lược về điều khiển học
1.2. Khái niệm chung về nguyên tắc điều hòa trao đổi chất
1.3 Các diện điều hòa
1.4. Ý nghĩa của hệ thống adenylic trong điều hòa trao đổi
chất
2. Điều hòa phân giải hydratcarbon
2.1. Điều hòa phân giải glucose và cơ chế hiệu qủa Pasteur
2.2. Hiệu quả Crabtree
2.3. Điều hịa chu trình Crebs

2.4. Kiểm tra glucose hóa


1. Nguyên tắc điều hòa trao đổi chất
1.1. Sơ lược về điều khiển học
• Điều khiển học nhằm tìm hiểu tính quy luật về kiểm tra,
điều hịa, truyền tin và chế biến thơng tin trong hệ thống
sinh học (Wener).
• Bản chất của điều khiển học là tính quy luật của các hệ
thống tự điều hòa chuỗi phản ứng trao đổi chất tế bào,
mà do một enzym chủ đạo xúc tác. Bởi vì trao đổi chất
có mối quan hệ hữu cơ giữa các q trình tác dụng trao
đổi có tính chất điều khiển tuần hồn.
• Điều khiển tuần hồn là một hệ thống kín mà có nhiều
thành phần tác dụng ln phiên nhau trong một hệ thống
tương đối bền vững với những tác động từ bên ngồi hệ
thống (hình 1).


Trong điều khiển học khái niệm tác dụng ngược (Feedback)
có vai trị cực kì quan trọng. Tác dụng ngược là một chức năng
có tính ngun tắc của điều khiển tuần hoàn. Tác dụng ngược
lại trong trao đổi chất là sản phẩm cuối cùng của chuỗi phản
ứng ảnh hưởng đến hoạt động của enzym chủ đạo, do đó làm
thay đổi tốc độ chuyển hóa dịng cơ chất trong q trình
chung. Như vậy có thể nói đó là một hệ thống tự điều hịa.
Tác dụng ngược lại có thể là dương hay âm, tùy thuộc vào
chất tác dụng làm hoạt hóa hay kìm hãm enzym chủ đạo. Ví
dụ Tác dụng âm như kìm hãm enzym L-threonindesaminase ở
Escherichia coli (hình 2). Cịn tác dụng dương trở lại, ví dụ

như hoạt hóa phosphofructokinase bằng sản phẩm phản ứng
của nó là fructose-1,6-diphosphat và ADP (hình 3).


Vị trí phá hủy làm thay đổi cân bằng động
giữa tổng hợp và phân giải ATP
 

Nút điều khiển
 

Mức độ điều
khiển ATP

Cân bằng động giữa các phản ứng
trao đổi chất tiêu hao và cung cấp ATP
Những phản ứng cung cấp ATP

Tốc độ phản ứng cung
cấp ATP (quan trọng)

 

CHẤT ĐIỀU KHIỂN
 

Giá trị cần thiết của nồng độ ATP
trong tế bào (ý nghĩa chủ đạo)
 

Hình 1: Sơ đồ điều khiển tuần hồn lưu lượng ATP trong tế bào


CH3-CH-CH-COOH
|
|
Threonin
OH NH2
NH4+

 
 
 
 
 

 

Threonindesaminase

alpha-Cetobutyrat
alpha- Cetohydroxybutyrat
alpha-beta-Dihydroxy-beta- methylvalerat

Ө

alpha-Ceto-beta-methylvalerat
CH3-CH-CH-COOH
|
|

CH3-CH2-NH2
L-isoleucin

Hình 2: Sinh tổng hợp isoleucin từ threonin


F-6-G + ATP

Phosphofructokinase
 

F-1,6-diP + ADP

Hình 3: Tác dụng ngược dương của ADP và FDP đến hoạt động của
phosphofructokinasse


1.2. Khái niệm chung về nguyên tắc điều hòa trao đổi chất
• Đặc trưng đối với trao đổi chất của cơ thể sống là trạng
thái ổn định cao, nghĩa là xác định chính xác tất cả các q
trình xảy ra. Đó là khả năng phản ứng trong những điều
kiện khác nhau, ví dụ ngủ nghỉ và hoạt động vẫn diễn ra
các quá trình phân giải và tổng hợp, cảm ứng và trấn áp…
trong các điều kiện kị khí và hiếu khí. Trong mỗi trường
hợp mỗi cơ thể đều có các cơ chế kiểm tra và tự điều hòa
để đảm bảo thích ứng cao nhất với mơi trường xung quanh
và cả q trình sống của chúng.
• Ví dụ điều hịa trao đổi chất: hiệu quả Pasteur, điều hịa
glucose hóa, điều hịa tổng hợp và phân giải glycogen…

1.3 Các diện điều hịa
• Đặc trưng đối với cơ thể sống là trạng thái ổn định cao,
nghĩa là chúng phản ứng chính xác với tất cả các q trình
xảy ra trong cơ thể. Điều đó có thể thực hiện trong các điều
kiện khác nhau của mơi trường sống, ví dụ ngủ nghỉ và hoạt
động vẫn xảy ra các quá trình phân giải và tổng hợp, cảm
ứng và trấn áp, hiếu khí và kị khí…Trong mỗi trường hợp
đều có các cơ chế kiểm tra và tự điều hòa để đảm bảo ăn
khớp tối đa của cơ thể sống với từng thời kì và cả q trình
sống. Người ta có thể chia điều hòa thành ba loại khác nhau
là:
- Điều hòa chuyển hóa
- Điều hịa giai đoạn gen (điều hịa tác dụng ngoại mơi)
- Điều hịa hoạt động gen


1.4. Ý nghĩa của hệ thống adenylic trong
điều hòa trao đổi chất
ATP được coi như “đồng tiền vạn năng” của trao đổi chất tế bào.
Trong q trình hơ hấp và đường phân (glycolyse) thì ATP được
hình thành theo phương trình:
ADP +
P
ATP + H2O
Và đối với các qúa trình tiêu hao năng lượng thì phân giải ATP
theo phản ứng ngược lại. Trong trao đổi chất tế bào thì hệ thống
adenylic bao gồm AMP, ADP, ATP có thể biến đổi tương hỗ với
nhau để ln đạt thế cân bằng nhanh chóng, khi đó giữa các
thành phần có thể xảy ra:

ATP + AMP
2 ADP


Các q trình cân bằng chuyển hóa giữa các thành phần hệ
thống adenylic là nhờ vai trò xúc tác của adenylatkinase.
Trong hệ thống adenylic, trước hết là AMP và ATP có ảnh
hưởng trái ngược nhau đến hàng loạt enzym điều hịa trao đổi
chất. Đối với những enzym nhất định thì AMP, ADP hay ATP
thường có tác dụng trái ngược nhau.
Những hiện tượng như vậy cho phép chúng ta có thể giả thiết
“tích lũy năng lượng” khác nhau của hệ thống adenylic mà có
tác dụng điều hịa chuỗi phản ứng với mức độ khác nhau của
từng thành phần của hệ thống adenylic. Theo Atkinson thì tích
lũy năng lượng (energy charge) có thể biểu diễn như sau:
Tích lũy năng lượng

=

[ATP] + 0,5[ADP]
[ATP] + [ADP] + [AMP]


2. Điều hòa phân giải hydratcarbon
2.1. Điều hòa phân giải glucose và cơ chế hiệu qủa Pasteur
Hexokinase có vai trị quan trọng là kiểm tra nồng độ
glucose-6-phosphat. Bởi vì, glucose-6-phosphat có tác dụng
kết hợp ngược âm đối với hexokinase. Trong số các nhân tố
thì phosphofructokinase có ý nghĩa chủ đạo nhất. Bởi vì dựa
vào hoạt động tương đối của enzym này, cho phép xác định

được hàm lượng glucose-6-phosphat trong các tế bào và mô.
Khi enzym này hoạt động mạnh mẽ làm giảm hàm lượng
glucose-6-phosphat và ngược lại nó hoạt động yếu thì hàm
lượng glucose-6-phosphat tăng lên. Bằng những bằng chứng
như vậy chứng tỏ phosphofructokinase có tác dụng kiểm tra
phản ứng hexokinase.


Phosphofructokinase là enzym dị lập thể, có chức
năng kiểm tra quan trọng. Nó có các trung tâm liên kết
khác nhau đối với hàng loạt chất tác dụng. Enzym này
bị kìm hãm mạnh bằng ATP và citrat, nhưng lại được
hoạt hóa bằng AMP, ADP, phosphat vô cơ, fructose6-phosphat, fructose-1, 6-diphosphat và adenosin-3’,
5’-monophosphat.
Enzym dị lập thể khác của đường phân là
pyruvakinase, enzym này có hai kiểu chính là kiểu gan
L (levertyp) và kiểu cơ M (muscetyp).


 

Hình 4. Mơ hình điều hịa dị lập thể trong trao đổi glucose
––––: tín hiệu hóa học làm biến đổi hoạt tính xúc tác enzym;
------: ảnh hưởng dị lập thể (+); tác dụng dương (-): kìm hãm.


Cơ chế điều hòa phân giải hydratcarbon do hệ thống enzym
đặc biệt chịu trách nhiệm, đó là phức hợp
pyruvatdehydrogenase. Hệ thống enzym này xúc tác q trình
decarboxyl hóa oxy hóa axit pyruvic phụ thuộc vào CoASH và

NAD+.
Phosphat vô cơ, ADP, ATP cũng như NAD+ và NADH là
những chất kiểm tra chuyển hóa quan trọng của đường phân.
Ngồi các chất này thì cịn nhiều nhân tố dị lập thể khác có vai
trò đặc biệt quan trọng trong việc kết hợp giữa đường phân với
hơ hấp và có vai trị đối với duy trì trạng thái hiệu quả pasteur,
do đó chịu trách nhiệm với kìm hãm dịng cơ chất đường phân
nhờ hơ hấp.
Cạnh tranh giữa hô hấp và pyruvat với chất khử NADH xuất
hiện hiệu quả pasteur.


-Hiệu quả pasteur được giải thích khơng chỉ do tiêu hao nhiều
glucose trong các điều kiện kỵ khí, mà cịn cả kìm hãm hiệu
quả pasteur bằng các chất loại trừ kết hợp phosphoryl hóa.
-Trạng thái tồn tại hiệu quả Pasteur có liên quan chặt chẽ với
tính chất dị lập thể và chức năng kiểm tra của
phosphofructokinase. Trong các điều kiện hoạt động từ hiếu
khí sang kỵ khí và ngược lại, người ta đã chứng minh
phosphofructokinase là enzym bước phản ứng của đường
phân. Enzym này cùng với hexokinase làm thành một đơn vị
chức năng, trong đó hệ thống ATP-ADP-AMP có ý nghĩa lớn
lao trong mối quan hệ với fructose-6-phosphat có tác dụng
phức tạp đến enzym làm cho kết quả động học đặc biệt quan
trọng. Do đặc trưng của hệ thống adenylic đối với hô hấp và
đường phân trở thành hệ thống trung tâm điều hòa trao đổi
chất tế bào và chi phối cả hai con đường hô hấp và đường
phân.

2.2. Hiệu quả Crabtree
Trao đổi hydratcarbon và hô hấp của khối u biểu hiện
qua hai hình thức quan trọng như sau:
a. Nhờ đường phân hiếu khí cao.
b. Nhờ kìm hãm hô hấp, sau khi thêm glucose
vào các tế bào khối u cũng có hiệu quả Pasteur như
mọi tế bào khác. Nhưng hơ hấp có thể xảy ra khơng
triệt để như đa số tế bào động vật bình thường mà
nó dừng lại ở mức tạo thành lactat.
Hiệu quả ngược lại, sau khi thêm glucose vào tế bào
khối u dẫn đến kìm hãm hô hấp tĩnh (trong điều kiện
ngủ nghỉ) gọi là hiệu quả “Crabtree”.


Chất loại trừ kết hợp phosphoryl hóa chuỗi hơ hấp có
khả năng loại trừ hiệu quả Crabtree. Như vậy có mối
liên quan chặt chẽ về năng lượng giữa hô hấp với
đường phân ở các tế bào khối u (ung thư). Chứng tỏ
khi có mặt glucose, lúc đó làm mất khả năng tổng hợp
ATP, do kìm hãm hơ hấp tương ứng và đường phân
hiếu khí. Mối liên quan năng lượng nghiêm ngặt này
cũng xảy ra trong các điều kiện hiếu khí và kỵ khí, khi
có glucose.


Bên cạnh đó, người ta cũng cịn phải quan tâm đến
các nguyên nhân khác đối với duy trì hiệu quả
Crabtree, đó là:
1. Oxy hóa cơ chất nội sinh (axit amin, axit béo,…)
của tế bào làm cơ sở để oxy hóa glucose.

2. Sau khi thêm glucose vào trực tiếp, dẫn đến làm
tăng hô hấp đột ngột ở một giai đoạn trung gian.
3. Kìm hãm hơ hấp cịn do 2-desoxy-D-glucose thì
làm phosphoryl hóa mà khơng thể thay thế q trình
đường phân. Ngun nhân khơng kìm hãm hơ hấp là
do glucose khơng được phosphoryl hóa.