Điều hòa hoạt tính enzyme

Điều hòa hoạt tính enzyme

Điều hòa hoạt tính enzyme
Bởi:
Nguyễn Lân Dũng

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.
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.

1/7


Điều hòa hoạt tính enzyme

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.

2/7


Điều hòa hoạt tính enzyme

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 K0,5.
Một trong các enzyme điều chỉnh dị lập thể được nghiên cứu kỹ nhất đó là Aspartatecarbamoyltransferase (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)

3/7


Điều hòa hoạt tính enzyme

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
K0,5 của enzyme nhưng không thay đổi tốc độ cực đại của enzyme. GTP kìm hãm bằng
cách nâng cao K0,5 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.

4/7


Điều hòa hoạt tính enzyme

Cấu trúc và điều chỉnh của Aspartate carbamoyltransferase ở E. coli. (Theo Prescott, Harley và
Klein, 2005)

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 mì Neurospora 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.

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)

5/7


Điều hòa hoạt tính enzyme

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.
Kìm hãm phản hồi hoặc kìm hãm bởi sản phẩm cuối cùng (Feedback inhibition)
Như đã nói ở phần trên, tốc độ của nhiều con đường trao đổi chất được điều chỉnh
thông qua sự điều khiển hoạt tính của các enzyme điều chỉnh. Mỗi con đường có ít nhất

một enzyme dẫn-tốc độ (pacemaker) xúc tác phản ứng chậm nhất hoặc hạn chế tốc độ
trong con đường. Vì các phản ứng khác diễn ra nhanh hơn phản ứng dẫn-tốc độ do đó
những thay đổi trong hoạt tính của enzyme này trực tiếp ảnh hưởng đến tốc độ của con
đường. Thông thường, bước thứ nhất trong một con đường là một phản ứng dẫn tốc độ
xúc tác bởi một enzyme điều chỉnh. Sản phẩm cuối cùng của con đường thường kìm
hãm enzyme điều chỉnh này. Quá trình nói trên được gọi là sự kìm hãm bởi sản phẩm
cuối cùng. Kiểu kìm hãm này bảo đảm cho sự tạo thành cân bằng của sản phẩm cuối
cùng của một con đường. Nếu tích luỹ với nồng độ quá cao sản phẩm cuối cùng sẽ kìm
hãm enzyme điều chỉnh và làm giảm tốc độ tổng hợp của chính sản phẩm này. Khi nồng
độ của sản phẩm cuối cùng giảm, hoạt tính của con đường lại tăng và nhiều sản phẩm
hơn được tạo thành. Sự kìm hãm bởi sản phẩm cuối cùng, nhờ vậy, đã tự động phối hợp
việc cung cấp theo nhu cầu của sản phẩm này. Aspartate carbamoyltransferase là một ví
dụ điển hình của sự kìm hãm bởi sản phẩm một con đường sinh tổng hợp thường phân
nhánh tạo thành trên một sản phẩm cuối cùng. Trong tình hình như vậy việc tổng hợp
các sản phẩm cuối cùng của con đường phải được phối hợp một cách chính xác. Không
thể để một sản phẩm cuối cùng này có mặt dư thừa trong khi một sản phẩm cuối cùng
khác lại thiếu. Sự phân nhánh các con đường sinh tổng hợp thường tạo nên sự cân bằng
giữa các sản phẩm cuối cùng qua việc sử dụng các enzyme điều chỉnh ở các điểm phân
nhánh (Hình 16.26).
Khi có mặt ở nồng độ dư thừa một sản phẩm cuối cùng thường kìm hãm enzyme ở
điểm phân nhánh trên chuỗi dẫn đến tạo thành sản phẩm này, nhờ vậy mà điều chỉnh

6/7


Điều hòa hoạt tính enzyme

việc tổng hợp của chính sản phẩm đó nhưng không ảnh hưởng đến tổng hợp các sản
phẩm khác. Hình 16.26 cũng cho thấy cả 2 sản phẩm cũng kìm hãm enzyme mở đầu
trong con đường. Sự dư thừa của một sản phẩm làm chậm dòng C đi vào cả con đường

trong khi kìm hãm enzyme thích hợp ở điểm phân nhánh. Vì sự phân nhánh không hoạt
động cần ít C do đó sự kìm hãm bởi sản phẩm cuối cùng của enzyme dẫn tốc độ ban đầu
giúp cho sự điều hoà giữa cung và cầu ở các con đường phân nhánh. Việc điều chỉnh
ở các con đường phân nhánh nhiều thường được thực hiện phức tạp hơn do sự có mặt
của các izoenzyme tức là những enzyme khác nhau nhưng xúc tác cùng một phản ứng.
Bước đầu dẫn tốc độ ban đầu có thể do một số izoenzyme xúc tác, mỗi izoenzyme chịu
sự điều hoà riêng rẽ và độc lập. Trong tình hình như vậy, sự dư thừa của một sản phẩm
cuối cùng sẽ làm giảm hoạt tính của con đường nhưng không hoàn toàn kìm hãm chức
năng của con đường vì một số izoenzyme vẫn còn hoạt động.

Kìm hãm phản hồi

Trên hình là sự kìm hãm phản hồi trong 1 con đường phân nhánh với 2 sản phẩm cuối
cùng. Các enzyme ở điểm phân nhánh xúc tác sự chuyển hóa chất trung gian E thành F
và G được điều chỉnh bởi kìm hãm phản hồi. Các sản phẩm P và Q cũng kìm hãm phản
ứng mở đầu trong con đường. Tín hiệu ① chỉ ra rằng P hoặc Q kìm hãm enzyme xúc tác
bước tiếp theo tín hiệu. (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)

7/7