chuyển hóa sinh học và các sản phẩm trao đổi chất acid lipoic

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA SINH HỌC – CÔNG NGHỆ SINH HỌC

ACID LIPOIC
Môn: CHUYỂN HÓA SINH HỌC VÀ CÁC SẢN PHẨM TRAO ĐỔI
CHÁT
GVHD: TS. Nguyễn Thị Mỹ Lan
TS. Nguyễn Thị Thanh Kiều
1.

Ngày 24.10.2016


MỤC LỤC


I.

GIỚI THIỆU
Lipoate (Hình 18A) là một cofactor organosulfur (hợp chất hữu cơ có ch ứa

lưu huỳnh) bảo tồn cao cần thiết cho các chức năng của nhiều phức h ợp enzyme
quan trọng trong quá trình oxy hóa và chuy ển hóa carbon. Ban đ ầu, lipoate đ ược
biết như là một nhân tố lạ có nguồn gốc từ dịch chiết sinh họ, kích thích sự tăng
trưởng của vi khuẩn trong sự hiện diện của nguồn carbon nhất định. Những hi ện
tượng này cuối cùng đã được giải thích bởi việc sử dụng các lipoate nh ư m ột
cofactor trong các phức hợp đa enzyme (multienzyme complexes) tham gia vào quá
trình chuyển hóa trung gian. Ngoài vai trò xúc tác, các ho ạt đ ộng oxi hóa kh ử c ủa
lipoate cũng cho phép nó có chức năng như một chất ch ống oxy hóa và lo ại b ỏ các
gốc tự do. Việc thu nhận và sử dụng lipoate ở nhiều mức độ giữa các vi sinh vật gây

bệnh và ảnh hưởng đến tính độc hại của các vi sinh vật cũng như b ệnh mà chúng
gây ra. Bài này nghiên cứu sự chuyển hóa lipoate trong vi khuẩn, nấm, đ ộng v ật
nguyên sinh và tìm hiểu làm thế nào nó có chức năng trong sự chuy ển hóa của vi
sinh vật cũng như trong các quá trình không phải chuyển hóa sinh h ọc.

Hình 1: Các gốc Lipoyl. (A) Hoạt
tính sinh học của đồng phân lập thể R của lipoate. (B) Sự oxy hóa cofactor lipoyl,
1

lipoamide, liên kết với một lượng lysine được bảo tồn của ti ểu đơn vị E2 c ủa các
phức hợp lipoylated. Lipoamide và dihydrolipoamide cũng được gắn với protein H
của phức hợp glycine phân bào. (C) Các dạng khử của cofactor lipoyl,

3


dihydrolipoamide, thể hiện sự liên kết với một lượng lysine được bảo tồn của các
tiểu đơn vị E2 của các phức hợp lipoylated.
1.

Tổng quan về lịch sử khám phá acid lipoic
Trong những năm 1930, Esmond Snell và các cộng sự quan sát thấy r ằng việc

bổ sung acetate từ môi trường tổng hợp đã kích thích s ự tăng tr ưởng c ủa vi khu ẩn
axit lactic (212). Gần một thập kỷ sau đó, Guirard và các c ộng s ự quan sát th ấy
rằng một số chế phẩm sinh học đã có th ể thay thế acetate như m ột y ếu t ố tăng
trưởng cho các vi khuẩn axit lactic (70), các chất này được g ọi là y ếu t ố thay th ế
acetate (ARF). Tương tự, O'Kane và Gunsalus đã chỉ ra rằng Streptococcus faecalis
(ngày nay gọi là Enterococcus faecalis) phát triển trong môi trường có cả tryptone
và cao nấm men cũng như trong môi trường tổng hợp; tuy nhiên, chỉ có các tế bào

tăng trưởng trong cao nấm men mới có th ể oxy hóa pyruvate (160). Các chất trong
môi trường cao nấm men giúp cho S. faecalis có thể oxy hóa pyruvate, các chất này
không thể được thay thế bằng bất kỳ loại vitamin hoặc cofactor nào và đ ược g ọi là
nhân tố oxy hóa pyruvate (POF) (160). Về sau, POF cho th ấy có ho ạt tính ARF, nh ư
là một nhân tố tăng trưởng (221) được phát hiện ở Tetrahymena gelii (211). Vật
liệu kết tinh chứa cả đặc tính của POF và ARF được tạo ra từ vi ệc th ủy phân d ịch
chiết từ gan và được xác định là axit (R)-5-(1, 2-dithiolan-3-yl) pentanoic (184).
Hợp chất này được đặt tên là "acid lipoic" vì nó tan trong d ầu, có tính axit, và tham
gia vào quá trình đồng hóa của các axit béo. Ngoài có ho ạt đ ộng c ủa ARF và POF,
lipoic acid tinh khiết đã sớm được phát hiện để thay thế một chất khác, được gọi là
"nhân tố BR" (110), giúp cho Butyribacterium rettgeri có thể sử dụng lactate làm cơ
chất (111). Vào thời điểm đó, lipoate (dưới dạng lipoic acid chi ếm ưu thế tại các
điều kiện pH trên 4.7) được cho là một loại vitamin B m ới (184); tuy nhiên, m ột
căn bệnh liên quan đến thiếu hụt lipoate ở người chưa được theo dõi. Bên c ạnh đó,
ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy động vật có vú có th ể tổng h ợp lipoate
(258). Các sinh vật có thể tự tổng hợp lipoate, cofactor này được tổng h ợp t ừ m ột
tiền thân là axit octanoic (168), với việc chèn đ ồng phân l ập th ể c ủa nguyên t ử l ưu
huỳnh vào carbon số sáu để tạo đồng phân đối hình R, đây là dạng có hoạt tính sinh
học (169).
4


Cho đến nay, năm phức hợp đa enzyme phụ thuộc vào lipoate đã đ ược mô t ả.
Ba phức hợp α-ketoacid dehydrogenases: pyruvate dehydrogenase (PDH), αketoglutarate dehydrogenase (KDH), và α-ketoacid dehydrogenase phân nhánh
(BCDH). Những phức hợp này được tạo thành từ nhiều bản sao của mỗi ba ti ểu
đơn vị enzyme là E1 (thường được tạo thành như hai protein), E2, và E3 (171). M ột
phức hợp thứ tư, acetoin dehydrogenase (AoDH), tương đồng cao với PDH và có cấu
tạo từ các tiểu đơn vị protein tương tự ba phức α–ketoacid dehydrogenases trên
(256). Phức hợp thứ năm, phức hợp glycine phân bào (GCV), có cấu trúc khác và bao
gồm bốn loại protein liên kết lỏng lẻo là protein P, H, T và L (39). Cofactor lipoate

được gắn thông qua một liên kết amide với một lượng lysine được b ảo tồn trên
tiểu đơn vị protein H của GCV và lượng lysine tương tự trên các ti ểu đ ơn v ị E2 c ủa
các phức khác. Trong quá trình xúc tác, các cầu n ối disulfide n ội phân t ử c ủa lipoate
chuyển hóa giữa quá trình oxy hóa lipoamide (Hình 1B) và quá trình kh ử
dihydrolipoamide (Hình 1C) (171).
2.

Cấu trúc của các phức hợp Lipoylated.
Các α-ketoacid dehydrogenase và acetoin dehydrogenase là các phức h ợp

protein rất lớn chứa nhiều bản sao của các ti ểu đơn vị E1, E2 và E3 (171). Nh ững
phức hợp này được hình thành xung quanh lõi là các trimers E2 đ ể tạo ra các ph ức
hình khối 8 mặt giống như cái khung của 24 ti ểu đơn vị (130) và các ph ức h ợp hình
khối 20 mặt của 60 tiểu đơn vị (97). Các vùng amino-terminal c ủa m ỗi ti ểu đ ơn v ị
E2 chứa bằng hoặc ít hơn (gần 80-amino-acid) các vùng lipoyl hóa, và m ỗi vùng ch ỉ
có một vị trí liên kết với lipoate. Lõi E2 được s ắp xếp sao cho các vùng lipoyl hóa
được lộ ra mặt ngoài của phức hợp, nơi mà chúng tương tác với các ti ểu đơn v ị
ngoại vi E1 và E3. Các tiểu đơn vị E2 của KDH và BCDH chứa một vùng lipoyl duy
nhất (12, 170, 187), trong khi tiểu đơn vị E2 của AoDH có th ể chứa một vùng th ứ
hai (256) và tiểu đơn vị E2 của PDH có th ể chứa lên tới ba vùng lipoyl (171). Các
tiểu đơn vị E1 của PDHs ở hầu hết các vi khuẩn Gram âm và t ất cả KDHs là
homodimeric (α2). Ngược lại, tiểu đơn vị E1 của PDHs của vi khuẩn Gram dương và
tất cả BCDHS và AoDHs được cấu tạo từ 2 protein, E1α và E1β, đ ược s ắp xếp nh ư
heterotetramers (α2β2). Trong cả hai trường hợp, các multimer (chứa 2 ho ặc
5


nhiều monomer) E1 chứa hai cofactor thiamine pyrophosphate (TPP) đ ược cho là
để tương tác thông qua một "dây proton" và hoạt động một cách thu ận ngh ịch
trong xúc tác (51). Tiểu đơn vị dimeric E1 (hoặc heterotetrameric α2 β2 E1) và

dimeric E3 được sắp xếp xung quanh các lõi E2 của phức h ợp α-ketoacid
dehydrogenase; mặc dù các tiểu đơn vị ngoại vi gắn với nhi ều stoichiometries,
thường E1s nhiều hơn E3s (171).
Cấu trúc của các phức hợp α-ketoacid dehydrogenase và các ti ểu đ ơn v ị c ủa
nó đã được nghiên cứu bằng một số kỹ thuật. Tinh thể học tia X đã được s ử dụng
để xác định cấu trúc của các dimer PDH E1 từ Escherichia coli (9) cũng như dimer
E3 từ nhiều nguồn, bao gồm cả cấu trúc đầu tiên được xác định của E3 từ
Azotobacter vinelandii (201). Cấu trúc tinh thể của ti ểu đơn vị E2 chưa được xác
định, có thể là do tính linh động vốn có của các protein này. Đ ầu N c ủa vùng lipoyl
được nối với 40-amino-acid của vùng bám của tiểu đơn vị ngoại vi (PSBD) và vùng
xúc tác có đầu C bằng các cầu nối linh hoạt. Thí nghi ệm cộng hưởng từ hạt nhân
đầu tiên đã xác định cấu trúc của các vùng lipoyl riêng bi ệt (36) và PSBDs t ừ ti ểu
đơn vị E2 (196). Một số cấu trúc của ti ểu đơn v ị E3 được xác đ ịnh g ần đây là ph ức
hợp được hình thành giữa các dimer E3 và một PSBD đơn có ngu ồn g ốc từ ti ểu đ ơn
vị E2 tương ứng (126, 154). Các cấu trúc của E2 ở các vùng xúc tác đã đ ược xác đ ịnh
bởi tinh thể tia X và việc hình thành octahedral 24-mers hay icosahedral 60-mers
(97) tùy vào nguồn gốc.
Tính linh động vốn có của các ti ểu đơn vị E2 và động h ọc tự nhiên c ủa E1 và
E3 liên kết với các lõi E2 ngăn cản sự kết dính của các phức b ậc cao. Tuy nhiên,
những phức hợp tái tạo cũng như những phức hợp gốc đã được mô tả bằng kính
hiển vi điện tử. Những cấu trúc này cho thấy vỏ của ti ểu đơn vị E1 và E3 đ ược tách
biệt với lõi E2 bởi một khoảng cách hình khuyên từ 30-50 A 0 trong phức hợp hình
khối 8 mặt (239) và từ 75-90 A 0 trong phức hợp hình khối 20 mặt (136, 137). Tính
linh động của chuỗi bên lipoamide và sự linh động của các vùng khớp n ối ở s ườn
bên của các vùng lipoyl trong tiểu đơn vị E2 được cho là để thu ận ti ện cho s ự
tương tác với các tiểu đơn vị E1 và E3 qua khoảng cách này. M ột loạt các chuy ển
động là do các vùng lipoyl cho phép chuy ển nhóm acyl (và các ph ản ứng oxi hóa
6

khử) giữa các nhóm lipoyl trên các protein E2 khác nhau trên kh ắp lõi E2 (170,
187).
Ngoài tiểu đơn vị lõi E1, E2 và E3 là đặc tr ưng của các ph ức h ợp chuy ển hóa
lipoylated trên đơn vị phân loại, trong một số loài còn có thêm các protein có ch ức
năng trong phức hợp lắp ráp hoặc sửa sai trong các phức hợp lipoylated. Nh ư mô t ả
chi tiết dưới đây, các thành phần này bao gồm kiểm soát kinase và phosphatase.
Ngoài ra, ở hầu hết sinh vật nhân thực phức hợp PDH còn chứa một ti ểu đơn vị
được gọi là protein nối E3 (E3BP), cần thiết cho việc tuy ển chọn ti ểu đơn v ị E3 cho
các phức hợp. Ví dụ, PDH tim bò là một phức h ợp 9.5- tri ệu dalton g ồm 30 b ản sao
của heterotetrameric E1, 12 bản sao của homodimeric E3, và 12 b ản sao c ủa
monomeric protein nối E3 sắp xếp xung quanh một lõi hình kh ối 20 m ặt c ủa 60
tiểu đơn vị E2 (186). Ngược lại, các tiểu đơn vị protein của GCV không hình thành
một phức hợp ổn định mà thay vào đó lại hoạt động như những protein đ ộc l ập
(39, 156).
II.
1.

LIPOATE TRONG XÚC TÁC.
Cơ chế của xúc tác.

Trong năm phức hợp enzyme lipoylated, lipoate vừa hoạt động như là m ột
chất có ái lực điện tử gắn với trung tâm phản ứng (thông qua một cầu nối thioester
hoặc thioether) và như là một nhánh linh động là các rãnh gi ới hạn c ơ chất gi ữa các
vị trí hoạt động của các tiểu đơn vị khác (xem trong tài li ệu tham khảo 171, 185, và
187).
a. Các phức hợp α-Ketoacid dehydrogenase.

Cả ba phức hợp α-ketoacid dehydrogenase xúc tác cho phản ứng kh ử carboxyl
của α-ketoacids để tạo acyl coenzyme A (acyl CoA), NADH và CO 2 bằng các cơ chế
phản ứng tương tự nhau (Hình. 2A). Phản ứng bắt đầu với thiamine pyrophosphate

(TPP) phụ thuộc vào sự khử carbon của cơ chất được xúc tác bởi các ti ểu đơn vị E1.
Carbon có tính axit của vòng thiazole của TPP tác động vào carbon cacbonyl c ủa c ơ
chất (carbon 2), hình thành một kết cộng hóa trị trung gian. S ự bi ến đ ổi này gi ải
phóng một lượng CO2 trung gian, còn lại một gốc hoạt động Carbanion liên kết v ới
TPP. Dạng acylates này là một dạng của các nguyên tử lưu huỳnh trong lipoamide,
7


còn các nguyên tử lưu huỳnh thứ hai bị khử một thiol. Các vị trí hoạt động E2 sau đó
xúc tác chuyển phân nửa acyl từ dihydrolipoamide đến coenzyme A. Đ ể tái t ạo các
cấu trúc lipoamide có ái lực điện tử của cofactor, ti ểu đ ơn v ị E3, đ ược g ọi là
dehydrogenase dihydrolipoyl, oxy hóa dihydrolipoamide từ lipoamide trong m ột
phản ứng phụ thuộc vào NAD (170). Khác với các ti ểu đơn vị E1 và E2, đặc tr ưng
cho mỗi phức hợp α–ketoacid dehydrogenase, tiểu đơn vị E3 thường được chia s ẻ
giữa các phức hợp. Ví dụ, trong E. coli tiểu đơn vị E3 duy nhất được mã hóa trong
các operon PDH nhưng cũng có thể được thể hiện từ một bản sao độc lập, cung
cấp các tiểu đơn vị E3 cho phức hợp KDH (216). Trong thực v ật (24 R39) và các ký
sinh trùng apicomplexan (35), protein biệt hóa E3 hoạt động trong ty th ể và l ạp
thể.
b. Phức hợp AoDH.

Các acetoin dehydrogenase (AoDH) tương đồng rất cao v ới PDH và có t ất c ả
các đặc điểm được mô tả ở trên cho các α-ketoacid dehydrogenase (250), nh ưng nó
không có cơ chất α–ketoacid (Hình 2B). TPP liên kết với tiểu đơn vị E1 tác động vào
cacbon cacbonyl của acetoin (3-hydroxy-2-butanone) dẫn đến hình thành m ột liên
kết cộng hóa trị giữa TPP và 2, 3-butanediol. Khi cầu n ối trung gian này b ị phá h ủy
sẽ giải phóng acetaldehyde và TPP còn lại một nhóm hydroxyetyl ho ạt đ ộng, được
giữ cân bằng bởi acylate của cofactor lipoamide của ti ểu đ ơn v ị E2. Ngoài vi ệc gi ải
phóng của acetaldehyde (không phải CO2), những phản ứng được xúc tác bởi AoDH
giống với những phản ứng được xúc tác bởi PDH và dẫn đến sự hình thành của

acetyl-CoA.
c. GCV.

Trong khi các phức hợp lipoylated không thể thay đổi được sự khử carbon của
các α-ketoacid để hình thành các gốc acyl-CoA, phức hợp glycine phân bào (GCV)
xúc tác các phản ứng nghịch của sự khử carboxyl của glycine tạo CO2, NADH,
amoniac và nhóm methylene liên kết với tetrahydrofolate (THF) đ ể tạo thành một
carbon cho 5,10-CH2-THF (Hình 2C). Như vậy, mặc dù các chuỗi phản ứng của GCV
tương tự với của các phức hợp α-ketoacid dehydrogenase, cơ chế khác so với
những phức hợp lipoylated khác theo những cách tinh tế nhưng lại là nh ững con
đường quan trọng.
8


Các tiểu đơn vị của GCV được biết như là protein P (protein chứa
pyridoxal phosphat), protein H (protein vận chuyển hydrogen), protein T (protein
chứa tetrahydrofolate), và protein L (lipoamide dehydrogenase), với lipoate đồng
hóa trị liên kết với protein H (Hình 2C) (39). Protein P tương tự v ới ti ểu đ ơn v ị E1
của α-ketoacid dehydrogenases và xúc tác phản ứng khử carboxyl của glycine; tuy
nhiên, nó phụ thuộc vào một cofactor pyridoxal phosphate thay vì TPP. Sau khi các
phản ứng oxy hóa khử carboxyl của glycine nhờ protein P, methyleneamine được
gắn đồng hóa trị với dihydrolipoamide trên protein H. Khác với tiểu đơn vị E2,
protein H không có hoạt tính xúc tác nhưng thay vào đó nó hoạt động như m ột giá
đỡ để bảo vệ các chất trung gian không ổn định trong quá trình chuy ển đ ến
protein T (69). Protein T xúc tác sự giải phóng amoniac từ methyleneamine và sự
chuyển đổi của nhóm methylene từ THF, tạo thành 5,10-CH2-THF. Protein L là một
dihydrolipoamide dehydrogenase tương tự với tiểu đơn vị E3 của phức hợp α–
ketoacid dehydrogenase, và xúc tác quá trình oxy hóa hai electron của
dihydrolipoamide để tạo lipoamide và chuyển đổi NAD + thành NADH. Hầu hết các
sinh vật sử dụng các sản phẩm của cùng một gen cho các tiểu đơn vị E3 và protein

L (xem trong tài liệu tham khảo 31 và 39).

Hình 2. Sự phản ứng của các phức hợp lipoylated. (A) phức hợp α-ketoacid
dehydrogenase. Trong bước phản ứng đầu tiên của phức hợp pyruvate
dehydrogenase, phức hợp α-ketoglutarate dehydrogenase, và phức hợp α-ketoacid
dehydrogenase phân nhánh, tiểu đơn vị E1 khử carboxyl của c ơ ch ất α-ketoacid, và
nhóm acyl sau đó được chuyển cho corfactor lipoyl trên ti ểu đ ơn v ị E2. Ti ểu đ ơn v ị
E2 có hoạt tính xúc tác có chứa thêm vùng lipoyl, và nó chuy ển nhóm acyl đ ển
coenzyme A (CoA). Cấu trúc lipoate của cofactor được tái tạo thông qua vi ệc kh ử
NAD+ bởi tiểu đơn vị E3. (B) phức hợp acetoin dehydrogenase. AoDH tương đ ồng
9


cao với PDH nhưng lại sử dụng acetoin (3-hydroxy-2-butanone) như là một c ơ ch ất
thay vì pyruvate. Phản ứng của acetoin với các ti ểu đơn vị E1 d ẫn đ ến vi ệc gi ải
phóng acetaldehyde và sự acetyl hóa của lipoamide. Ti ểu đơn vị E2 sau đó chuy ển
nhóm acetyl đến CoA, và lipoamide được tái tạo bởi ti ểu đơn vị E3. (C) ph ức h ợp
lycine phân bào. GCV xúc tác phản ứng oxy hóa khử carboxyl thuận ngh ịch của
glycine để tạo ra carbon dioxide, amoniac, và một nhóm methylene được chuy ển từ
cofactor tetrahydrofolate để sử dụng trong sự chuyển hóa một carbon. Protein H
của lipoylated hoạt động như một cơ chất di động và hệ th ống vận chuy ển gi ữa
các vị trí hoạt động của các protein P, T, và L. Lưu ý r ằng khác v ới ti ểu đ ơn v ị E2 c ủa
phức hợp α-ketoacid dehydrogenase, protein H không có hoạt tính xúc tác. Protein P
xúc tác một phản ứng tương tự như của tiểu đơn vị E1, và protein L tương tự v ới
tiểu đơn vị E3. (Hình C chuyển từ tài liệu tham khảo 39 v ới s ự cho phép c ủa
Elsevier.)
10


3.

Các phức hợp Lipoylated

a. Phức hợp PDH.

Pyruvate dehydrogenase (PDH) xúc tác phản ứng oxy hóa khử carboxyl của

pyruvate để tạo thành acetyl coenzyme A (acetyl-CoA). Một số con đường chuyển
hóa chính tiêu thụ acetyl-CoA, bao gồm các chu kỳ axit tricarboxylic (TCA), sinh
tổng hợp axit béo, con đường kéo dài axit béo và con đường sinh tổng h ợp
mevalonate của isoprenoid. Escherichia coli có chứa một PDH duy nhất, hoạt động
trong tăng trưởng hiếu khí. Trong E. coli, sự mất holo-PDH có thể được thay
thế bằng cách bổ sung acetate (237). Hầu hết các sinh vật nhân chuẩn có chứa một
PDH ở ty thể, liên kết quá trình đường phân với chu trình TCA. Thực vật có thêm
một PDH trong lục lạp, tạo ra acetyl-CoA cho de novo enzyme tổng hợp axit béo
(FAS) trong stroma của lạp thể và cũng là nguồn gốc chính của NADH cho con
đường này (139).
Phức hợp PDH ở sinh vật nhân thực, có thêm protein gọi là protein n ối E3
(trước đây được gọi là "protein X" [37, 100]) cần thiết để nối các tiểu đơn vị E3 với
lõi E2 (64, 117, 176). Các protein nối E3 (E3BP) tương đồng với ti ểu đơn vị E2 và
bao gồm một vùng lipoyl duy nhất sau đó là một vùng nối tiểu đơn vị ngoại vi
(PSBD) và vùng xúc tác (77, 155). Vùng lipoyl là lipoylated và có th ể b ị kh ử và acetyl
hóa bởi các tiểu đơn vị E3 và E1 của PDH (85, 100, 181). Tuy nhiên, E3BPs dường
như không xúc tác các phản ứng chuyển acetyl cần thiết để tạo ra acetyl-CoA, có
lẽ do thiếu của một lượng dư histidine xúc tác trong ti ểu đơn vị E2 (77). Sự cắt
ngắn vùng lipoyl của E3BP ở nấm men ảnh hưởng ít đến hoạt tính của PDH hoặc
sự hình thành của phức hợp (117), chứng tỏ rằng vùng này không quan tr ọng đối
với chức năng của E3BP. Sự phân cắt một đoạn lớn hơn của đầu N trong E3BP ở bò
khiến cho phức PDH không hoạt động do thiếu tiểu đơn vị E3 (64, 176). Trong
các thí nghiệm, sự phân giải protein có thể loại bỏ PSBD cũng như các vùng

lipoyl. Như vậy, vai trò quan trọng của E3BPs dường như là sự liên kết của các ti ểu
đơn vị E3 chứ không phải là hoạt động xúc tác của vùng lipoyl. Thật vậy, các gen
được coi là mã hóa cho E3BPs từ một số sinh vật, chẳng hạn như
Aspergillus fumigatus, dường như không có các vùng lipoyl.

11


PDH bị ức chế biến cấu bởi các sản phẩm của nó, NADH và acetyl-CoA, và bởi
mức độ cao của ATP so với ADP. Trong prokaryote, sự biểu hiện PDH được điều
chỉnh bởi quá trình tăng trưởng hiếu khí và lượng thừa pyruvate và b ị ức ch ế trong
sự tăng trưởng trong lên men (31). Ở eukaryote, ngoài s ự đi ều ch ỉnh bi ến c ấu của
PDH bởi sự tích lũy của các sản phẩm, hoạt động cũng được ki ểm soát thông qua
sự phosphoryl hóa của tiểu đơn vị E1 (122). Dưới điều kiện yếm khí, phức hợp liên
kết với pyruvate dehydrogenase kinase phosphoryl hóa phức hợp này đ ể bất ho ạt
nó (96, 120, 122), kết quả là sự chuyển hóa của pyruvate tạo lactate trong bào
tương. Việc ức chế hoạt động của PDH sau đó có thể được làm giảm bởi các
pyruvate dehydrogenase phosphatase, được liên kết l ỏng l ẻo v ới ph ức h ợp này
(121, 122).
b. Phức hợp KDH.

α-ketoglutarate dehydrogenase (KDH) chuyển α-ketoglutarate thành succinyl-

CoA thông qua một phản ứng có cơ chế tương tự với PDH. Succinyl-CoA có thể
được tiêu thụ bởi các enzyme succinyl-CoA synthetase trong chu trình TCA, hoặc nó
có thể theo hướng sinh tổng hợp heme và amino acid (83). Trong bước đầu tiên của
sinh tổng hợp heme, δ- aminolevulinic acid synthase xúc tác s ự ngưng t ụ c ủa
glycine và succinyl-CoA để tạo thành axit δ–aminolevulinic (δ-ALA) (81).
SuccinylCoA cũng được sử dụng cho sinh tổng hợp methionine và lysine
trong E. coli và các sinh vật khác mà có khả năng tổng hợp các axit amin. Ở các

chủng E. coli thiếu một KDH hoạt động, hoạt động này có th ể được thay thế bằng
succinate hoặc, dưới điều kiện kỵ khí, bằng lysine và methionine (83). H ầu h ết các
sinh vật nhân thực có chứa một KDH duy nhất nằm trong ty th ể. Ở các sinh vật như
động vật có vú mà dị dưỡng với methionine và lysine, KDH cần thiết cho sự hô hấp
hiếu khí và sản xuất các phân tử heme tiền chất.
KDH khác nhau về mặt cấu trúc từ hầu hết PDHs và tất cả BCDHs được bi ết
trong đó các tiểu đơn vị E1 được mã hóa bởi một gen, bao gồm các vùng t ương
đồng với cả hai tiểu đơn vị E1α và E1β của các phức hợp α–ketoacid
dehydrogenase khác. Khác với PDH ở sinh vật nhân chuẩn, KDH không được điều
chỉnh bởi sự phosphoryl hóa của tiểu đơn vị E1. Thay vào đó, nó được hoạt hóa
bằng các chuyển hóa trung gian như tỷ lệ AMP / ATP cao (139). Ở E. coli, sự biểu
12


hiện của KDH được gia tang biểu hiện trong sự tăng trưởng hiếu khí nhưng lại bị
ức chế trong sự tăng trưởng lên men (68). Kết quả của sự ức ch ế này trong m ột
"chu trình" TCA phân nhánh tạo ra những tiền thân sinh tổng hợp α-ketoglutarate
thông qua sự oxy hóa và succinyl -CoA thông qua sự khử (215). Một số tác nhân gây
bệnh được mô tả trong phần sau của bài viết này có chứa một chu trình TCA phân
nhánh, và trong một số trường hợp chúng thiếu enzyme KDH.
c. Phức hợp BCDH.

Các chuỗi nhánh α-ketoacid dehydrogenase (BCDH) tham gia vào sự phân giải

của amino acid chỗi nhánh để tạo ra chuỗi nhánh CoA (BC-CoA) phân tử có th ể
được chuyển vào chu trình TCA trung gian hoặc sử dụng cho tổng h ợp các chu ỗi
nhánh axit béo (BCFA). Trong sự phân giải chuỗi nhánh amino acid, các amino acid
valine, leucine, isoleucine và được khử amin tạo α-ketoacids tương ứng bởi các
chuỗi nhánh amino axid transaminase (BCAT). Những α–ketoacids này là cơ
chất cho BCDH và được khử carbonxyl và liên hợp với CoA để tạo ra 3-methylbutanoyl-CoA, isobutyryl-CoA, và 2-methyl-butanoyl-CoA. Ở nhiều vi khuẩn Gram

dương, các phân tử BC-CoA ngắn được tạo thành bởi các BCDH được sử dụng chủ
yếu như là mồi để tạo ra chuỗi nhánh acid béo dài hơn có thể có vai trò quan tr ọng
trong việc thích nghi với nhiệt độ bằng cách biến đổi tính lưu động của màng (223,
260). Ví dụ, khi BCDH bị phá hủy trong vi khuẩn gây bệnh Listeria monocytogenes,
sinh vật trở nên thiếu BCFAs và không còn thích nghi được v ới s ự phát tri ển trong
điều kiện lạnh (262). Các yêu cầu đối với các sản phẩm BC-CoA cụ thể của BCDH
thay đổi theo loài. Trong vi khuẩn Bacillus subtilis, khi bổ sung bất kỳ ba axit béo
tương tự sản phẩm của BCDH là đủ để thay thế cho các enzyme đột biến (251).
Ngược lại, L. monocytogenes cần có 2-methylbutyrate để thay cho sự bất hoạt
của BCDH (106). Do đó, các yêu cầu BCFA cụ thể trong một sinh vật bắt buộc thì
các axit béo phân nhánh ngắn có thể được dùng để thay thế cho phức hợp này.
Ở sinh vật nhân sơ, sự biểu hiện của BCDH được gây ra bởi sự tích tụ của
ketoacids phân nhánh (128). Ở các tế bào động vật có vú, các BCDH đ ược đi ều
chỉnh chặt chẽ bởi sự phosphoryl hóa và sự ức chế sản phẩm một cách tương tự
như đối với các PDH (xem trong tài liệu tham khảo 76). Sự phosphoryl hóa của tiểu
đơn vị E1α bởi một phức hợp liên kết với kinase dẫn đến bất hoạt enzyme (175,
13


209), điều này có thể được đảo ngược bởi sự liên kết với phosphatase (34). Sự tích
lũy các sản phẩm acyl-CoA phân nhánh và NADH ức chế cạnh tranh với phức hợp
này (76). Ở sinh vật nhân thực, các BCDH được tìm thấy trong ty thể, nơi các sản
phẩm BC-CoA có thể được tiếp tục chuyển hóa vào chu trình TCA trung gian như
acetylCoA và succinyl-CoA.
d. Phức hợp AoDH.

Các acetoin dehydrogenase (AoDH) liên quan chặt chẽ với α-ketoacid

dehydrogenases và được cho là đã tiến hóa từ một tổ tiên PDH chung (115). Ở
nhiều vi khuẩn của ngành Firmicutes và Proteobacteria, việc chuyển đổi pyruvate

thành acetyl-CoA đòi hỏi có AoDH hơn là PDH (xem trong tài liệu tham khảo 256).
Trong các vi khuẩn này, acetoin (3-hydroxy-2-butanone) được hình thành từ
pyruvate trong hai bước biến đổi enzyme (191), cung cấp cơ chất cho AoDH. AoDH
tái tạo chứa các tiểu đơn vị E1, E2, E3 từ vi khuẩn Pelobacter carbinolicus là đặc
trưng cho acetoin và không sử dụng pyruvate hoặc α-ketoglutarate như là cơ ch ất
(162). Protein E1α có chứa một vùng trình tự bất đ ồng so với các α-ketoacid
dehydrogenase khác và dường như là đóng vai trò cho tính đặc hiệu cơ chất của
AoDH (115). Các protein E1β và E2, và các vùng khác của E1β, tương đồng cao với
các phức hợp bao gồm PDH. Giống như các ti ểu đ ơn v ị E1α PDH ở sinh v ật nhân s ơ,
các E1α AoDH dường như không chứa các vị trí kiểm soát sự phosphoryl hóa được
tìm thấy trong PDH của sinh vật nhân thực. Theo quan sát giữa các protein PDH E2
(187) và các protein E2 của AoDH có thể có số lượng các vùng lipoyl khác nhau. Hai
vùng lipoyl được tìm thấy trong E2 AoDH của P. carbinolicus, so với một vùng trong
Klebsiella pneumoniae và Cupriavidus Necator (38, 178). Các gen mã hóa các tiểu
đơn vị AoDH được sắp xếp theo các trình tự giống với trình tự được quan sát th ấy
trong các α-ketoacid dehydrogenase khác, với các ti ểu đơn v ị E1α, E1 β, và E2 đ ược
mã hóa trong các cụm gen giống nhau. Sự hiện di ện của một ti ểu đ ơn v ị E3 được
mã hóa trong cụm này thay đổi theo loài (256), và trong trường hợp thiếu gen này,
một E3 chung có lẽ được chia sẻ giữa AoDH và α–ketoacid dehydrogenases. Điều
thú vị là, trong P. carbinolicus có thêm một gen mã hóa enzyme tổng hợp lipoate
nằm giữa các gen mã hóa E2 và E3 của AoDH (163), có khả năng liên kết s ự bi ểu
hiện của phức hợp chuyển hóa lipoyl và sự biểu hiện của các enzym lipoylating.
14


e. GCV.

Như đã thảo luận ở trên, phức hợp glycine phân bào (GCV) xúc tác phản ứng
nghịch của sự khử carboxyl của glycine. Trong quá trình dị hóa glycine, GCV tạo ra
NADH, CO2, NH3, và một phân tử carbon cho 5,10-CH2-THF, cần thiết cho sự sinh

tổng hợp của một số amino acid và nucleotide (39). GCV cũng cung cấp glycine để
đảm nhiệm vai trò như một nguồn carbon và nitơ cho một số sinh vật. Khi GCV ưu
tiên sinh tổng hợp glycine, glycine có thể được sử dụng cho sự dịch mã protein hoặc
như một cơ chất của enzym tổng hợp acid δ-aminolevulinic trong bước đầu tiên
của sự tổng hợp heme (81). Ở sinh vật nhân thực, bao gồm thực vật, các GCV đã
được tìm thấy ở ti thể (39), trừ các sinh vật đơn bào amitochondriate Trichomonas
vaginalis, nơi các thành phần của GCV được tìm thấy trong các bào quan liên quan
đến các ty lạp thể gọi hydrogenosomes (150).
Sự điều khiển các hoạt động của GCV được điều bởi chỉnh bởi tr ạng thái
cân bằng và khác nhau giữa các sinh vật. Trong các mô không quang hợp ở thực vật,
GCV hoạt động theo một hướng duy nhất là dị hóa glycine để hỗ trợ cho ty lạp thể
tổng hợp serine, sau đó được chuyển đến tế bào chất và sử dụng cho việc tạo ra
một carbon cho ở tế bào chất (45, 148). Ở Saccharomyces cerevisiae, các GCV có
chức năng thuận nghịch, dị hóa glycine hoặc tổng hợp nó tùy thuộc vào trạng thái
chuyển hóa của tế bào (173). Ở S. cerevisiae và E. coli, sự thiếu của bất kỳ tiểu đơn
vị GCV nào đều ngăn chặn các sinh vật sử dụng glycine là một nguồn carbon hoặc
nitơ duy nhất nhưng không ảnh hưởng đến sự tăng trưởng (173, 174). Các biểu
hiện của các protein GCV trong E. coli được điều khiển một cách phức tạp bao
gồm sự kích hoạt bởi glycine và sự ức chế bằng hướng tạo ra các sẩn ph ẩm purine
(217)
III.

CƠ CHẾ LIPOYL HÓA.

Có 2 cơ chế được biết đến về biến đổi sau dịch mã của protein đối với lipoate
là tổng hợp lipoate và sự khử lipoate (144). Quá trình khử lipoate liên quan đ ến
việc nối lipoate tự do ở ngoài tế bào vào protein mục tiêu. Ngược lại, quá trình tổng
hợp lipoate liên quan đến việc hình thành lipoate bám protein từ ti ền ch ất là
octanyl. Nhiều cách gắn kết lipoate đã được nghiên cứu và người ta th ấy rằng có
15

các đặc điểm phù hợp nhất ở E. coli mà ở đó, việc tổng hợp lipoate và con đ ường
khử lipoate xảy ra độc lập với nhau (Hình 3A đến C). Mặc dù các ph ức h ợp đã được
lipoyl hóa có tính bảo tồn cao và hầu như có mặt khắp n ơi trong tự nhiên, sinh v ật
dựa vào sự đa dạng các thành phần của quá trình lipoyl hóa đ ể tạo ra nhi ều đ ồng
phức hợp. Ở đây, chúng tôi sử dụng E. coli để gi ới thi ệu s ự sinh tổng h ợp lipoate và
sự khử lipoate trước khi nghiên cứu sâu về cách gây bệnh của vi khuẩn khác.
1. Sinh tổng hợp lipoate

Ở E. coli, quá trình sinh tổng hợp lipoate thực hiện qua 2 phản ứng xúc tác b ởi
2 enzyme: octanoyl transferase (LipB) (144) và lipoate synthase (LipA) (78, 79, 183)
(Hình 3B). LipB chuyển nhóm octanoyl từ protein mang octanoyl acyl (octanoylACP) sang apoprotein. Enzyme transferase này không sử dụng hiệu qu ả octanoate
có sẵn làm cơ chất và kết quả, enzyme này phụ thuộc vào fatty acid synthase II đ ể
tổng hợp octanoyl-ACP (102). Sau khi tổng hợp ti ểu đơn v ị octanoyl, 2 nguyên tử S
được thêm vào bởi LipA, hình thành dithiolane lipoate (261). Enzyme LipA là
enzyme chủ yếu tổng hợp nên lipoate. Xung quanh lipoate ligase có các enzyme
LipB, Lip1A có thể sử dụng octanate tự do (thay vì lipoate tự do) đ ể hình thành
octanoylate aposubunits (261) (Hình 3A). Ở E. coli, con đường tổng hợp lipoate đòi
hỏi sự có mặt của LipA và LipB hoặc Lp1A tổng hợp nên protein ch ứa lipoyl và
không tổng hợp nên các cofactor là một acid tự do.
Ở thực vật, LipB và các bản sao của LipA được tìm thấy ở ti th ể và ở plastid (257).
Trong plastid, không tồn tại bất kì ligase nào cả, quá trình tổng h ợp lipoate đ ược
cho rằng: sử dụng sản phẩm của plastid FAS II là octanoyl-ACP d ể g ắn lipoyl lên
plastid PDH. Mặc dù trong ti thể thực vật có sự hi ện di ện của lipoate ligase, là c ấu
trúc chính của ti thể thực vật FAS II tổng hợp nên octanoyl-ACP cho vi ệc t ổng h ợp
lipoate (67). Ở một số sinh vật nhân thực khác, đặc bi ệt là n ấm men, có s ố l ượng
khá nhiều ở ti thể loại FAS II và việc tổng hợp lipoate cũng khá nhi ều (23,87). Ở
động vật có vú, lipoate là sản phẩm sơ cấp từ thức ăn do vi khuẩn đường ruột phân
giải, lipoate theo dòng máu đến các enzyme mục tiêu vào ti th ể c ủa t ế bào (56, 57,

177). Tuy nhiên, FAS loại II và quá trinh tổng hợp lipoate có m ặt ở nhi ều t ế bào
khác trong cơ thể. Việc loại bỏ gen tổng hợp nên lipoate ở chu ột làm phôi t ế bào
16


phôi bị chết đi  nhấn mạnh tầm quan trọng của quá trình tổng hợp lipoate ở ti th ể
trong sự biến dưỡng ở sinh vât nhân thực.
2. Quá trình khử lipoate

Việc khử lipoate liên quan đến gắn lipoate ngoại bào vào apoE2 ho ặc các ti ểu
đơn vị protein H bởi lipoate ligase (Hình 3C). E. coli ch ỉ có duy nh ất 1 enzyme
lipoate ligase; người ta phát hiện ra Lp1A như 1 gen s ản ph ẩm chủ y ếu k ết h ợp
lipoate ngoại bào vào phức hợp biến dưỡng (143). Các nghiên cứu về đ ộ tinh s ạch
của Lp1A tái tổ hợp cho thấy rằng khả năng xúc tác của Lp1A th ực hi ện ph ản ứng
qua 2 bước và phụ thuộc ATP. Bước đầu, sử dụng ATP để hoạt hóa lipoate tự do,
đồng thời hình thành phức hợp lipoyl-AMP. Trình tự lysine bảo tồn được giữ l ại ở
vùng apodomain , sau đó phản ứng tại gốc carboxyl của lipoyl-AMP đ ể hình thành
liên kết lipoamide và giải phóng AMP (143). Không gi ống như LipB và LipA, Lp1A
có thể sử dụng cơ chất là octanoate (143, 261). Một cách tương tự, lipoate gi ống
như 8-bromo-octanoate (BrO) cũng là cơ chất của Lp1A, kết qu ả là ức ch ế s ự phát
triển E, coli (2, 261).
Mặc dù có trình bảo tồn ở mức thấp, Lp1A và LipB cùng chung 1 h ọ cofactor
gắn vào enzyme (171). Phù hợp với giả thuyết này, Lp1A có th ể xúc tác phản ứng
do enzyme octanoyl transferase thực hiện mà đặc tr ưng xúc tác này do LipB th ực
hiện nhưng Lp1A thực hiện phản ứng ở mức độ thấp hơn LipB (102). Khi nghiên
cứu cấu trúc tinh thể tia X của 2 enzyme LipB và Lp1A thì th ấy r ằng c ấu trúc c ủa 2
enzyme này giống nhau và gấp cuộn protein giống nhau khi quan sát trong biotin
ligase ở E. coli, BirA (253). Cấu trúc của LipB ở Mycobacterium tuberculosis xếp
thành hàng so với cấu trúc của Lp1A trong Thermoplasma acidophilum (108) và
Lp1A trong E. coli (58), với giá trị hiệu dụng (RMS) khoảng 2.5A để xếp thành hàng

các nguyên tử C-alpha (125). Quan trọng hơn, các fatty acid ligand được quan sát
trong cấu trúc của LipB ở M. tuberculosis có thể xếp chồng lên nhóm lipoyl của
lipoyl-AMP trong cấu trúc Lp1A ở T. acidophilum, nhấn mạnh sự giống nhau về vị
trí hoạt động của các enzyme này (125). Axit octanoic và các ch ất tương tự nh ư axit
octanoic cũng bám vào các khe (túi) có trung tâm ho ạt đ ộng gi ống nhau trong c ấu
trúc LipB ở Thermus thermophilus (109).
17


Điều quan trọng phân biệt LipB và Lp1A là sự hi ện diện vùng domain có đ ầu
C- terminal ở Lp1A mà không có ở LipB. Cấu trúc Lp1A ở E. coli cho thấy vùng
domain có đầu C-terminal phải trải qua sự thay đổi hình dạng của cấu trúc liên
quan đến việc hình thành phức hợp lipoyl-AMP (54). Bước này không cần thi ết ở
enzyme LipB khi nhóm octanoyl gắn vào protein mang acyl thông qua c ầu n ối
thioester. Các domain trong bộ gen của các vi khuẩn cổ có th ể mã hóa ra Lp1A v ới
khả năng xúc tác và domain có đầu C-terminal như để phân tách các protein (27).
Lp1B hình thành dạng dimer với hoạt tính xúc tác của domain, đòi h ỏi s ự hình
thành lipoyl-AMP (27, 134). Tuy nhiên, LipB không yêu cầu ph ải gắn nhóm lipoyl
vào vào protein có vùng domain gắn lipoyl (27). Gi ống nh ư th ế, enzyme lipoate
ligase hoặc các đồng đẳng của nó ở động vật có vú bao gồm vùng domain có đ ầu Cterminal và có hoạt tính xúc tác chuyển nhóm lipoyl khi cung c ấp lipoyl (53). Vì v ậy,
vùng domain Lp1B, nó sẽ biểu hiện như protein độc lập hoặc kết h ợp các ho ạt tính
xúc tác trong domain của lipoate ligase và tất nhiên ph ải có s ự hình thành lipoylAMP.
Cơ chế khử lipoate rất đơn giản khi nghiên cứu ở E coli, nhiều con đường tận
dụng đã được biết đến. Với 1 vài sinh vật như

L. monocytogenes và

Plasmodiumfalciparum, chúng có đến 2 enzyme ligase (3,107), phù hợp v ới các nhu
cầu cần thiết trong tế bào. Ở tế bào động vật có vú, enzyme Lp1A xúc tác ph ản ứng
nối xảy ra theo 2 bước và độc lập GTP (Hình 3D). Quá trình này ph ải c ần đ ến

enzyme có chức năng hoạt hóa lipoate (LAE), hình thành lipoyl-GMP t ừ lipoate t ự
do. Enzyme cần thiết khác là lipoyl nucleoside monophosphate (NMP) transferase,
chuyển lipoate từ lipoyl-GMP thành apodomain (55). C ấu trúc enzyme LAE ở đ ộng
vật có vú có vai trò quan trọng trong chuy ển hóa xenobiotic/ hình thành các chu ỗi
có độ dài trung bình acyl-CoA ligase (57) cũng nh ư ph ối h ợp v ới NMP transferase
để gắn chất tương tự như lipoate và xenobiotic vào E2 PDH ở động vật có vú (240).
Mặc dù enzyme NMP transferases ở động vật có vú tương tự như Lp1A ở E. coli
nhưng chúng vẫn có khả năng sử dụng lipoate tự do để làm cơ chất và là cách đ ể
phân biệt E. coli và các vi sinh vật khác nhờ quá trình lipoyl hóa (55, 56).
3. Tách chiết lipoate
18


Một enzyme có tên là lipoamidase (Lpa), có chức năng phân cắt liên k ết
lipoamide và có ở vi khuẩn gram (+) Enterococcus faecalis. Thập niên những năm
1950, việc nghiên cứu vai trò của axit lipoic trong PDHs ở E. coli và E. faecalis, Reed
và các cộng sự phát hiện ra rằng một phần nào đó hoạt tính c ủa enzyme tinh s ạch
từ E. faecalis bị bất hoạt và giải phóng ra lipoate tự do (188). Enzyme Lpa ch ỉ mới
phát hiện gần đây với khối lượng 80 kDa, vùng amidase domain có đ ầu N-terminal
đặc trưng bởi các acid amin Ser-Ser-Lys và đầu C-terminal vẫn ch ưa rõ ch ức năng
của nó (99). Nó có thể phân cắt lipoate từ alpha-ketoacid dehydrogenases, lipoic
acid amide và các phân tử ester nhỏ nhưng 1 số ít không có hoạt tính trên ε-Nbiotinyl-L-lysine (biocytin), ε-N-acetyl-L-lysine, or ε-Nbenzoyl-L-lysine (224). In
vivo, protein được lipoyl hóa tác động đến cơ quan đích một cách đ ặc hi ệu b ởi Lpa,
khi sự biểu hiện của Lpa là chất độc ở các dòng E. coli thì lipoate sẽ bị E coli phân
giải (214a).
Hoạt tính lipoamidase khi nghiên cứu trên động vật có vú, có cả huy ết thanh
người và ở sữa (10, 62, 94, 159). Tuy nhiên, khác với lipoamidase ở E. faecalis,
nhiều hoạt tính của amidase dường như không đặc hiệu cho lipoate. Ho ạt tính c ủa
enzyme lipoamidase trong huyết thanh người sẽ phân cắt các ch ất nh ư biotin b ị
phân cắt bởi biotinidase (62) và ở sữa người sẽ có cholesterol esterase (94). Ở đ ộng

vật có vú, việc tạo thành lipoate tự do được thực hiện bởi sự khử acid hydrolysis
nhưng không có sự tham gia của enzyme. Các hợp chất c ơ bản tổng h ợp nên lipoate
tự do ở động vật đa bào phải có acid lipoic từ thức ăn và vi khu ẩn đ ường ru ột (55,
56). Các vi khuẩn gây bệnh ở động vật có th ể khử lipoate tự do được tổng h ợp b ởi
sự phân hủy cơ thể chủ.

19


Bảng 1

IV.

LIPOATE LÀ CHẤT CHỐNG OXI HÓA

Về vai trò xúc tác trong phản ứng biến dưỡng, lipoate và dihydrolipoate có vai
trò quan trọng trong phản ứng oxi hóa khử (xem lại tham kh ảo trang 138 và 165).
Lipoate hoàn toàn là chất chống oxi hóa bởi vì khả năng ch ống oxi hóa khi ở tr ạng
thái khử (dihydrolipoate) và oxi hóa (lipoate) (165). Lipoate and dihydrolipoate là
cặp oxi hóa khử, có khả năng đặc hiêu trong loại bỏ các gốc tự do g ồm hydroxyl t ự
do, peroxyl tự do, superoxide tự do và O nguyên tử. Hoạt động của dihydrolipoat v ới
các chất chống oxi hóa khác có thể tái tổng h ợp các ch ất ch ống oxi hóa co ho ạt
tính như vitamin C (104), glutathione (101), coenzyme Q 10 (255) và vitamin E
(203). Lipoate có thể tan trong lipid lẫn trong nước, có khả năng tương tác v ới các
chất chống oxi hóa khác tạo cầu nối màng tế bào-chất ch ống oxi hóa nh ư
20


tocopherol và (chất chống oxi hóa-tế bào chất) như glutathione. Lipoate and
dihydrolipoate hoạt động trực tiếp như chất chống oxi hóa thông qua quá trình kh ử

các gốc tự do và gián tiếp bởi tái sinh các chất chống oxi hóa khác.
V.
1.

BIẾN DƯỠNG LIPOATE Ở VI KHUẨN .

Vi khuẩn gram (–)

Các vi khuẩn gây bệnh ở người đa số là vi khuẩn gram (–) và ph ần l ớn thu ộc
ngành Chlamydiae và Proteobacteria. Các vi khuẩn này có hình thái rất da dạng và
có thể là vi khuẩn nội bào bắt buộc, nội bào tùy ý hay ngo ại bào. T ương t ự, các loài
vi khuẩn này có thể sống hiếu khí bắt buộc, kị khí tùy ý ho ặc vi hi ếu khí. Ho ạt
động biến dưỡng lipoate ở các sinh vật này rất đa dạng, ví dụ như ở 13 loài
Proteobacteria và loài Chlamydia trachomatis từ Chlamydiae. Hoạt động biến dưỡng
lipoate được nghiên cứu ở vi khuẩn gây bệnh gram (–) được hi ểu rõ h ơn b ởi s ự so
sánh giữa Proteobacteria Helicobacter pylori và Pseudomonas aeruginosa. Ở H.
pylori, không tìm thấy bất kì protein nào liên quan đến sự bi ến dưỡng lipoate trong
khi bộ gen của P. aeruginosa mã hóa ra enzyme tổng hợp lipoate cũng như enzyme
khử lipoate, các enzyme này là phức hợp của 5 protein đã lipoyl hóa khác nhau
(Bảng 1 và 2). Sự so sánh hoạt động biến dưỡng lipoate ở vi khu ẩn gây b ệnh gram
(–) cung cấp cho chúng ta nhiều thông tin về phát sinh b ệnh t ừ vi khu ẩn, cũng nh ư
các protein liên quan đến quá trình tổng hợp lipoate và protein đã được lipoyl hóa
chỉ sự phát sinh bệnh do các loài vi khuẩn gây ra. Ví dụ, ở Burkholderia
pseudomallei, khi gián đoạn quá trình biến dưỡng lipoate sẽ làm suy gi ảm độc lực
(172), trong khi ở Pseudomonas aeruginosa, phức hợp đã được lipoyl hóa đòi hỏi sự
biểu hiện thích hợp bởi hệ thống tiết độc tố (33). Các loài vi khu ẩn này và các loài
khác được mô tả ở dưới đây nhưng điều quan trọng cần lưu ý là các protein được
mã hóa trong bộ gen của các sinh vật này là gi ả đ ịnh tr ừ khi tìm ra các bằng chứng
thực nghiệm.
a. Alphaproteobacteria.

Ở loài Alphaproteobacteria, vi khuẩn thuộc chi Rickettsia là các vi khuẩn gây
bệnh ở người sống nội bào bắt buộc. Vi khuẩn từ chi Rickettsia là tổ tiên đầu tiên
về thuyết nội cộng sinh, hình thành nên ti thể (5), biến dưỡng lipoate ở sinh v ật
21


nhân thực cùng chung nguồn gốc với vi khuẩn. Vi khuẩn gây bệnh Rickettsia được
chia thành 2 nhóm: nhóm gây sốt Rickettsia và nhóm gây sốt màng não miền núi
(182). Tác nhân gây bệnh sốt màng não miền núi (Rickettsia rickettsii) và sốt
Rickettsia (Rickettsia prowazekii) đại diện tiêu biểu cho 2 nhóm gây bệnh này
(241).

Bảng 2: Các phức hợp lipoyl ở vi khuẩn gram (-)

Mặc dù, loài Rickettsia có bộ gen tương đối đơn giản (17) nhưng chúng vẫn có
thể thực hiện chu trình TCA và chỉ có phức hợp KDH (5). 2 ti ểu đ ơn v ị E1 và E2 c ủa
KDH được mã hóa kế tiếp nhau trong bộ gen ở R. rickettsii và R. prowazekii, theo giả
thuyết, tiểu đơn vị E3 cấu trúc nên 1 phần nào đó trong phức h ợp KDH (B ảng 2). B ộ
gen Rickettsia cũng mã hóa ra phức hợp được lipoyl hóa gồm E1alpha, E1beta và các
tiểu đơn vị E2 ở cùng 1 gen cluster. Những protein này có trình tự tương đ ồng v ới các
tiểu đơn vị của BCDH và đối với các tiểu đơn vị ở PDH của vi khu ẩn gram (–), chúng
có E1alpha và E1beta. Mặc dù giống với protein BCDH, ph ức h ợp trên ở Rickettsia có
cấu trúc giống với PDH. Nhiều enzyme có nhi ệm vụ quan tr ọng trong bi ến d ưỡng
22


amino acid, đòi hỏi phải phân hủy được mạch nhánh amino acid nh ưng các enzyme
đó không có ở loài Rickettsia (242). Thêm 1 bằng chứng cho rằng các ti ểu đơn vị có
một PDH giả định bắt nguồn từ rickettsiae, giống như ti th ể, ph ải có pyruvate trong

tế bào chất và phải có PDH để biến đổi pyruvate thành acetyl-CoA (5, 190). Ở
Rickettsia spp, chúng có các phức hợp KDH và PDH nhưng thi ếu protein được lipoyl
hóa. Mặc dù Rickettsia spp sống nội bào bắt buộc nhưng chúng vẫn không th ể mã
hóa ra enzyme lipoate ligase cũng như các enzyme khử lipoate từ tế bào chủ. C ả R.
rickettsii and R. prowazekii đều có thể mã hóa ra các bản sao giống với LipA và LipB ở
E. coli, chúng có thể tổng hợp lipoate để hoạt hóa 2 phức hợp KDH và PDH (Bảng 1).
b. Betaproteobacteria.

Betaproteobacteria gồm nhiều loài kị khí bắt buộc như Neisseria
meningitidis,Neisseria

gonorrhoeae,

Bordetella

pertussis

và

Burkholderia

pseudomallei. Những loài này đều là các vi khuẩn gây bệnh ở người như viêm
màng não, bệnh lậu, bệnh ho gà và bệnh Whitmore (250). Ở điều kiện hô hấp lí
tưởng, bộ gen của các loài vi khuẩn sẽ mã hóa ra các ti ểu đ ơn v ị c ủa ph ức h ợp
PDH, KDH (bảng 2), các bộ gen mã hóa ra mỗi phức h ợp đ ược tìm th ấy ở cùng
một operon. Khác với E. coli, enzyme dihydrolipoamide dehydrogenase (tiểu đơn
vị E3) mã hóa ra operon KDH ở Betaproteobacteria. Các loài vi khuẩn gây bệnh có
protein H, P, T của GCV, chúng thiếu dihydrolipoamide dehydrogenase protein L
độc lập. Các gen bản sao của tiểu đơn vị E1 trong PDH và các ti ểu đơn v ị của
BCDH được mã hóa trong gen ở B. pertussis and B. pseudomallei nhưng không có ở

loài Neisseria.
Ở B.pseudomallei, 4 gen giả định BCDH cùng nằm trong 1 operon hoàn chỉnh,
khi mã hóa tạo ra E1alpha, E1 beta, E2, and E3. Ngược lại, ch ỉ các gen mã hóa ra
E1alpha, E1 beta của BCDH, được biết đến ở kế tiếp nhau trong b ộ gen ở B.
pertussis. Tiểu đơn vị E2 (CAE44952 ) và E3 (CAE44944) ) được mã hóa ở gen nào
đó trong bộ gen và không liên quan đến operon khác (Bảng 2). Các gen này có th ể
xác định khả năng mã hóa các ti ểu đơn vị chưa hoàn ch ỉnh c ủa BCDH. Các ti ểu đ ơn
vị tương đồng với E2 hầu như giống với tiểu đơn vị E2 của KDH và có duy nh ất 1
23


lipoyl gắn với vùng domain nhưng thiếu vùng trung tâm có domain đáp ứng v ới
hoạt động của tiểu đơn vị E3. Các tiểu đơn vị tương đồng với E3 khi hoàn ch ỉnh thì
các gen bản sao của E3 PDH ít hơn tiểu đơn vị E3 BCDH so với các sinh vật khác.
Chính vì vậy, khi protein E2 không đầy đủ ti ểu đơn vị, không có E2 BCDH và các
bản sao của E3 ở B. pertussis có thể tạo ra protein ít hoặc mất hoạt tính ở các loài
Bordetella (167).
Các gen bản sao với tiểu đơn vị E3 của PDH (CAE44944) ở B. pertussis có cấu
trúc khác dễ phân biệt từ phức hợp lipoyl. Đối với một số loài vi khu ẩn khác, bao
gồm Neisseria meningitidis, Listeria monocytogenes, Streptococcus pneumoniae và
động vật nguyên sinh Trypanosoma brucei có E3 là các tiểu đơn vị quyết định có vai
trò khác được chấp nhận như vận chuyển đường qua màng plasma (210). Ở
N.meningitidis, tiểu đơn vị E3 của PDH đóng vai trò quan trọng trong màng bao (v ỏ
ngoài) vi khuẩn (4) như L. monocytogenes và T. brucei (35, 149, 200). Tiểu đơn vị E3
của PDH ở N. meningitidis có domain được lipoyl hóa với đầu amino-terminal và 2
vùng domain được lipoyl hóa ở E2 PDH (21). Vai trò lipoyl hóa của vùng domain
chưa được làm rõ nhưng có tính bảo tồn ở tiểu đơn vị E3 PDH liên quan đến vi
khuẩn gây bệnh ở người như Neisseria gonorrhoeae và đóng vai trò quan trọng ở vi
khuẩn gram (+) (xem “Firmicutes” bên dưới).
Hầu hết vi khuẩn gây bệnh Betaproteobacteria có khả năng tổng hợp và khử

lipoate (Bảng 1). Các gen trực giao của LipA, LipB, Lp1A cũng đ ươc phát hi ện trong
bộ gen của Betaproteobacteria nhưng có 1 ngoại lệ. Vi khuẩn B. pseudomallei sống
nội bào tùy ý không có khả năng mã hóa ra gen tr ực giao Lp1A, do đó không có kh ả
năng tổng hợp và khử lipoate (Bảng 1). Gen LipB có vai trò quan tr ọng trong sự
phát triển của B. pseudomallei và tồn tại thông qua màn chắn đột biến của các
transposon trung gian (172). Tế bào có gen LipB không nguyên v ẹn có kh ả năng
hình thành các mảng làm suy yếu và không thể lan r ộng ra được, cũng nh ư đ ề
kháng lại H202. Khi B. pseudomallei thực hiện quá trình thực bào cũng như không
thực bào, việc lipoyl hóa đóng vai trò quan trọng trong quá trình m ất cân b ằng oxi
hóa suốt chu trình nội bào và các phản ứng bi ến d ưỡng s ơ c ấp. Đ ối v ới chu ột, các
dòng có LipB không nguyên vẹn sẽ suy giảm độc tính gây hại, bi ến dưỡng lipoate có
24


vai trò quan trọng trong sự phát triển và tồn tại in vivo (172). Thay vào đó, vi khuẩn
gây bệnh B. pseudomallei bị ảnh hưởng bởi hoạt tính của LipB như là quá trình
phiên mã thường xuyên của nó, người ta nhận thấy rằng LipB đ ộc l ập v ới Dam
methylase ở E. coli (235).
c. Gammaproteobacteria.

Số lượng lớn vi khuẩn gây bệnh ở người thuộc Gammaproteobacteria, gồm
tác nhân gây ra bệnh Legionnaires ( Legionella pneumophila), bệnh dịch hạch
(Yersinia pestis), bệnh tả (Vibrio cholerae), bệnh kiết lị (Shigella dysenteriae),
nhiễm trùng cơ hội Pseudomonas aeruginosa, ngộ độc thực phẩm (Salmonella
enterica và E.coli). Phức hợp lipoyl trong Gammaproteobacteria và trong E. coli có
sự tương đồng với nhau. Tuy nhiên, về căn bản có sự khác mhau gi ữa P.
aeruginosa và L. pneumophila. Không giống như E. coli, nhiều loài có khả năng mã
hóa ra các tiểu đơn vị của phức hợp BCDH cũng như có phức h ợp acetoin
dehydrogenase ở P. aeruginosa. Một số loài có BCDH phản ánh yêu cầu dinh
dưỡng của chúng nhưng không phản ánh ở Gammaproteobacteria . Ở L.

pneumophila, BCFAs là những axit béo đặc trưng và chiếm s ố lượng lớn nhất
(147). BCDH có khả năng tổng hợp các primer hình thành m ạch phân nhánh c ủa
axít béo ở loài này cũng như ở một số loài vi khuẩn khác như Listeria
monocytogenes ( xem ở mục “Vi khuẩn gram (+)” bên dưới), các axit béo có m ạch
phân nhánh như Listeria monocytogenes chiếm ưu thế hơn. Ngược lại, BCFA có
hàm lượng dạng vết ở P. aeruginosa (145, 146) và ở loài này, vai trò của BCDH
được biết đến trong quá trình dị hóa của valine, isoleucine và leucine trong trung
gian của chu trình TCA như acetyl-CoA và succinyl-CoA. Th ật v ậy, nhi ều gen mã
hóa ra enzyme acyl-CoA dehydrogenase dạng mạch nhánh đòi hỏi s ự dị hóa cao
hơn so với amimo acid dạng mạch nhánh, điều này được tìm thấy ở bộ gen của P.
aeruginosa nhưng không tìm thấy ở bộ gen của L. monocytogenes.
P. aeruginosa có một cơ chế khác nhằm điều chỉnh hoạt tính của 5 phức hợp
lipoyl, PDH, KDH, BCDH, GCV và acetoin dehydrogenase (Bảng 2), thông qua s ự bi ểu
hiện khác nhau giữa 4 lipoamide dehydrogenase. Không gi ống như hầu h ết các
Gammaproteobacteria, chúng thường sử dụng thường xuyên tiểu đơn vị E3 cho tất
25