Năng lượng (Điều chỉnh dị lập thể) pptx

Năng lượng
(Điều chỉnh dị lập thể)




16.5. ĐIỀU HÒA HOẠT TÍNH
ENZYME
Hoạt động của nhiều con đường
trao đổi chất có thể được điều hoà
nhờ việc điều chỉnh hoạt tính của
các enzyme điều chỉnh. Mục này
mô tả các enzyme nói trên và đề
cập vai trò của chúng trong việc
điều chỉnh hoạt tính của con đường.
16.5.1. Điều chỉnh dị lập thể
Các enzyme điều chỉnh thường
là các enzyme dị lập thể (allosteric
enzymes). Hoạt tính của một
enzyme dị lập thể bị thay đổi bởi
một phân tử nhỏ gọi là effector
(effector, chất tác động) hoặc
modulator (modulator, chất điều
biến). Effector liên kết thuận
nghịch nhờ lực không - cộng hoá trị
vào một vị trí điều chỉnh
(regulatory site) tách biệt khỏi vị trí
xúc tác (catalytic site) và gây ra sự
thay đổi trong hình dạng hoặc hình
thể của enzyme (Hình 16.21). Hoạt

tính của vị trí xúc tác do đó bị thay
đổi. Một effector dương làm tăng
hoạt tính enzyme, một effector âm,
trái lại, làm giảm hoạt tính hoặc
kìm hãm enzyme. Những thay đổi
như vậy trong hoạt tính thường bắt
nguồn từ những biến đổi trong ái
lực biểu kiến của enzyme đối với
cơ chất, tuy nhiên những thay đổi
trong tốc độ cực đại cũng có thể
diễn ra.


Hình 16.21: Điều chỉnh dị lập
thể
Cấu trúc và chức năng của 1
enzyme dị lập thể. Trong hình bên
effector hoặc modulator (chất điều
biến) trước hết gắn vào 1 vị trí điều
hòa tách biệt và làm thay đổi hình
thể enzyme dẫn đến sự thay đổi
hình dạng của vị trí hoạt động. Vị
trí hoạt động giờ có thể liên kết cơ
chất hiệu quả hơn. Ở đây effector
là dương tính vì nó kích thích sự
liên kết cơ chất và hoạt tính xúc
tác. (Theo Prescott, Harley và
Klein, 2005)
Các enzyme điều chỉnh thường
là các enzyme dị lập thể (allosteric

enzymes). Hoạt tính của một
enzyme dị lập thể bị thay đổi bởi
một phân tử nhỏ gọi là effector
(effector, chất tác động) hoặc
modulator (modulator, chất điều
biến). Effector liên kết thuận
nghịch nhờ lực không - cộng hoá trị
vào một vị trí điều chỉnh
(regulatory site) tách biệt khỏi vị trí
xúc tác (catalytic site) và gây ra sự
thay đổi trong hình dạng hoặc hình
thể của enzyme (Hình 16.21). Hoạt
tính của vị trí xúc tác do đó bị thay
đổi. Một effector dương làm tăng
hoạt tính enzyme, một effector âm,
trái lại, làm giảm hoạt tính hoặc
kìm hãm enzyme. Những thay đổi
như vậy trong hoạt tính thường bắt
nguồn từ những biến đổi trong ái
lực biểu kiến của enzyme đối với
cơ chất, tuy nhiên những thay đổi
trong tốc độ cực đại cũng có thể
diễn ra.


Hình 16.22: Sự điều chỉnh
ACTase
Phản ứng Aspartate
-

carbamoyltransferase và vai trò
của enzyme này trong việc điều
chỉnh sinh tổng hợp pyrimidine.
Sản phẩm cuối cùng CTP kìm hãm
hoạt tính của ACTase (-) còn ATP
lại hoạt hóa enzyme (+).
Cacbamoyl Phosphate synthetase
cũng bị kìm hãm bởi các sản phẩm
cuối cùng của con đường như
UMP. (Theo Prescott, Harley và
Klein, 2005)
Các đặc tính động học của
enzyme không - điều chỉnh chứng
minh rằng hằng số Michaelis (Km)
là nồng độ cơ chất cần cho một
enzyme hoạt động ở tốc độ bằng
nửa tốc độ cực đại. Hằng số này chỉ
ứng dụng cho các đường cong bão
hoà cơ chất hyperbole mà không
cho các đường cong xích-ma
thường gặp với các enzyme dị lập
thể (Hình 16.23). Nồng độ cơ chất
cần cho một nửa tốc độ cực đại với
các enzyme dị lập thể có đường
cong cơ chất xích-ma được gọi là
giá trị [S]
0,5
hoặc K
0,5
.

Một trong các enzyme điều
chỉnh dị lập thể được nghiên cứu
kỹ nhất đó là Aspartate-
carbamoyltransferase (ACTase)
ở E. coli. Enzyme xúc tác sự ngưng
tụ của cacbamoylphosphate với
aspartate tạo thành
cacbamoylaspartate (Hình 16.22).
ACTase xúc tác phản ứng quyết
định tốc độ của con đường sinh
tổng hợp pyrimidine ở E. coli.
Đường cong cơ chất bão hoà là
xích-ma khi nồng độ của một trong
hai cơ chất thay đổi (Hình 16.23)


Hình 16.23: Động học của
Aspartate carbamoyltransferase ở
E. coli
CTP là 1 effector âm làm tăng giá
trị K
0,5
, còn ATP là 1 effector
dương, hạ thấp K
0,5
. V
max
vẫn là
hằng số. (Theo Prescott, Harley và
Klein, 2005)

Enzyme có trên một vị trí hoạt
động và sự liên kết của một phân tử
cơ chất vào một vị trí hoạt động sẽ
kích thích sự liên kết của cơ chất
vào các vị trí khác. Hơn nữa,
cytidine triphosphate (CTP), một
sản phẩm cuối cùng của sinh tổng
hợp pyrimidine, kìm hãm enzyme,
trái lại ATP (purine) lại hoạt hoá
enzyme. Cả hai effector thay đổi
giá trị K
0,5
của enzyme nhưng
không thay đổi tốc độ cực đại của
enzyme. GTP kìm hãm bằng cách
nâng cao K
0,5
hoặc chuyển dịch
đường cong bão hoà cơ chất lên các
giá trị cao hơn. Điều này cho phép
enzyme hoạt động chậm hơn ở một
nồng độ cơ chất đặc biệt khi CTP
có mặt. ATP hoạt hoá bằng cách
chuyển đường cong tới các giá trị
nồng độ cơ chất thấp hơn khiến cho
enzyme hoạt động cực đại qua một
phạm vi nồng độ cơ chất rộng lớn.
Do đó, khi con đường hoạt động tới
mức nồng độ CTP tăng quá cao
hoạt tính ACTase sẽ giảm và tốc độ

tạo thành sản phẩm cuối cùng bị
chậm lại. Trái lại, khi nồng độ sản
phẩm cuối cùng ATP tăng lên so
với CTP, ATP sẽ kích thích tổng
hợp CTP thông qua tác dụng lên
ACTase.
Aspartate carbamoyltransferase
ở E. coli cung cấp một ví dụ rõ rệt
về các vị trí điều chỉnh và vị trí xúc
tác riêng rẽ trong các enzyme dị lập
thể. Enzyme là một protein lớn
gồm 2 dưới đơn vị xúc tác và 3
dưới đơn vị điều chỉnh (Hình
16.24a). Các dưới đơn vị xúc tác
chỉ chứa các vị trí xúc tác và không
chịu ảnh hưởng bởi CTP và ATP.
Các dưới đơn vị điều chỉnh không
xúc tác phản ứng nhưng có các vị
trí điều chỉnh liên kết CTP và ATP.
Khi liên kết vào enzyme hoàn toàn
các effector này gây ra những thay
đổi về hình thể trong các dưới-đơn
vị điều chỉnh, sau đó trong các dưới
đơn vị xúc tác và các vị trí xúc tác.
Enzyme có thể thay đổi thuận
nghịch giữa một dạng T ít hoạt
động và một dạng R hoạt động hơn
(Hình 16.24 b, c). Do đó vị trí điều
chỉnh ảnh hưởng đến vị trí xúc tác
ở khoảng cách khoảng 6,0 nm.

Hình 16.24: Cấu trúc và điều
chỉnh của Aspartate
carbamoyltransferase ở E. coli.
(Theo Prescott, Harley và Klein,
2005)
16.5.2. Cải biến cộng hoá trị các
enzyme
Các enzyme cũng có thể được
kích thích hoặc bị kìm hãm thông
qua sự cải biến cộng hoá trị thuận
nghịch. Thông thường điều này
diễn ra do việc thêm và loại bỏ một
nhóm đặc biệt, nghĩa là một dạng
của enzyme được hoạt động hơn
một dạng khác. Chẳng hạn,
glycogen phosphorylase của mốc
bánh mìNeurospora crassa được
gọi là phosphorylase a khi ở dạng
phosphoryl hoá và phosphorylase b
khi ở dạng bị loại bỏ Phosphate
(Hình 16.25). Phosphorylase b là
bất hoạt vì chất hoạt hoá AMP mà
nó cần thường không có mặt ở mức
độ đủ cao. Dạng phosphoryl hoá
của phosphorylase a hoạt động
ngay khi không có mặt AMP.
Glycogen phosphorylase được kích
thích thông qua việc phosphoryl
hóa phosphorylase b thành

phosphorylase a. Việc gắn nhánh
Phosphate làm thay đổi hình thể
của enzyme chuyển nó thành dạng
hoạt động. Phản ứng phosphoryl
hoá và loại bỏ Phosphate được xúc
tác bởi các enzyme riêng rẽ và các
enzyme này cũng được điều chỉnh.

Hình 16.25: Sự cải biến cộng
hóa trị thuận nghịch của glycogen
phosphorylase. Phosphorylase a là
dạng hoạt động được tổng hợp bởi
phosphoryl hóa và bị bất hoạt khi
Phosphate bị loại bỏ do thủy phân
để tạo thành phosphorylase b bất
hoạt. (Theo Prescott, Harley và
Klein, 2005)
Các enzyme cũng có thể được
điều chỉnh nhờ liên kết với các
nhóm khác Phosphate. Một trong
các enzyme được nghiên cứu chi
tiết nhất đó là Glutamine synthetase
ở E. coli. Đây là một enzyme lớn,
phức tạp tồn tại ở hai dạng. Khi
một nhánh acid adenylic liên kết
với một trong 12 dưới-đơn vị của
enzyme tạo thành một enzyme
adenyl hoá, glutamine synthetase
hoạt động yếu. Việc loại bỏ các
nhóm AMP tạo ra glutamine

synthetase đã mất adenyl hoạt động
hơn và glutamine được tổng hợp.
Hệ thống glutamine synthetase
khác hệ thống phosphorylase ở hai
điểm: 1) AMP được dùng như tác
nhân cải biến; 2) Dạng cải biến của
Glutamine synthetase kém hoạt
động. Glutamine synthetase cũng
được điều chỉnh dị lập thể.
Việc sử dụng cải biến cộng hoá
trị để điều chỉnh hoạt tính enzyme
có một số ưu điểm. Các enzyme có
thể chuyển hoá qua lại thường cũng
là các enzyme dị lập thể. Vì mỗi
dạng có thể đáp ứng khác nhau với
các effector dị lập thể nên các hệ
thống enzyme cải biến cộng hoá trị
có khả năng đáp ứng với nhiều chất
kích thích hơn trong các con đường
thay đổi và phức tạp. Cũng có thể
được điều chỉnh là các enzyme xúc
tác những cải biến cộng hoá trị, bổ
sung vào hệ thống một mức độ điều
chỉnh thứ hai.