MIỄN DỊCH CƠ SỞ HAY NHẤT

Chương

6

CÁC NGUYÊN TẮC
ĐÍỀU HÒA TRAO Đổỉ CHẤT
6.1. VÀI NÉT S ơ LƯỢC VÊ ĐlỀU KHIỂN

học

M ộ t tro ng nhữ ng lĩn h vự c q u a n trọng c ủ a s in h h ọ c h iệ n đ ạ i v à c ó ý n g h ĩa v ô
c ù n g lớn la o trong v iệ c tìm h iể u q u á trìn h số n g , đ ó là đ iề u k h iể n h ọ c . Đ iề u k h iể n h ọ c là
m ộ t n g àn h k h o a h ọ c m ớ i được phát triển trong v ò n g 5 0 n ă m trở lạ i đ â y . Đ iề u k h iể n h ọ c
n h ằ m tìm h iể u tín h q u i luật về k iể m tra, đ iề u h o à, tru y ề n tin v à c h ế b iế n th ô n g tin trong
h ệ thống s in h h ọ c (W e n e r).
T ừ c á c q u i lu ậ t c ó tín h ch ất tuần h o àn v à tự đ iề u k h iể n c h o p h é p c h ú n g ta x â y
dự ng c á c m ô h ìn h h o á để m ô tả c ơ c h ế đ iề u h o à. Đ iề u k h iể n h ọ c c ó ý n g h ĩa đ ặ c b iệt
q u a n trọng đ ố i với c á c q u á trìn h c h u y ể n h o á trong c ơ

thể. V í d ụ như n g h iê n cứ u c á c

x u n g lượng th ần k in h v à tru yền c á c x u n g iượng đ ó , c ũ n g như p h â n t íc h m ố i q u a n hệ đ iề u
h o à giữa c á c tu y ế n n ộ i tiết, ...B ả n ch ấ t c ủ a đ iề u k h iể n h ọ c là tín h q u i lu ậ t c ủ a c á c h ệ
thống tự đ iề u h o à c h u ỗ i p h ản ứng trao đ ổ i ch ất tế b ào , m à d o m ộ t e n z y m c h ủ đ ạ o x ú c
tá c. B ở i v ì trao đ ổ i ch ấ t c ó m ố i q u a n hệ hữu cơ giữ a c á c q u á trìn h tác d ụ n g trao đ ổ i c ó
tín h ch ất đ iề u k h iể n tuần h o àn .
Đ iề u k h iể n tuẩn h o àn là m ộ t h ê th ố n g k ín m à c ố n h iề u th à n h p h ầ n tác d ụ n g lu â n
p h iê n n h au tro n g m ộ t hộ thố ng tương đ ố i bển vữ ng vớ i nhữ ng tá c đ ộ n g từ bên n g o à i hệ
th ố n g (h ìn h 6 . 1 ) . N ó c ó n h iệ m v ụ g iữ m ột g iá trị n à o đ ó k h ô n g th a y đ ổ i, v í d ụ h à m
lượng A T P cô' đ ịn h h a y trạng th á i c h u n g c ủ a hệ th ố n g a d e n y lic ( A M P , A D P , A T P ) c ố
đ ịn h trong tế b ào .

K h i m ứ c đ ộ đ iề u k h iể n c h ê n h lệ c h so với g iá trị c ầ n th iế t h a y m ứ c đ ộ d ẫ n tru y ề n
( v í d ụ trong d ịc h tế bào c ó

5 m n o l A T P / m l) , lú c đ ó g iá trị c ầ n thiết c ủ a h ệ th ố n g được

p h ụ c h ồ i trở lạ i. T ấ t n h iê n lú c đ ầu hộ thố ng b ị th ay đ ổ i v à c h ấ t đ iể u k h iể n b ị ản h hưởng
k é o d à i m ã i đ ế n k h i hộ thống trở lạ i trạng th ái b ìn h thưcmg như b an đ ầ u .


120

CÁC NGUYÊN TẮC ĐlỀư HÒA TRAO Đổl CHAT
K h i đ i sâu n g h iê n cứ u, người ta đ ã ch ứ n g m in h m ô h ìn h trên h ìn h 6 .1 p hù hợp

vớ i tín h c h ấ t c h u n g c ủ a sự b iế n đ ổ i A T P tro n g tế b ào (c á c p h ản ứng c u n g c ấ p A T P như
h ô h ấp , đường p h â n ,...). N g h ĩa là k h i h à m lượng A T P g iả m th ì th ấ y n ồ n g đ ộ A D P và
p h o sp h a t v ô cơ tro n g tế bào tăng lê n , d o đ ó đ ò i h ỏ i p h ải tăng cường thực h iệ n p h ả n ứng
tổ n g hợp A T P trong hộ thố ng trao đ ổ i ch ấ t. T ố c đ ộ c ủ a c á c q u á trìn h c u n g c ấ p A T P n à y
là v ị trí q u a n trọng c ủ a v ò n g đ iề u k h iể n . C ò n trực tiế p là nút đ iề u k h iể n được g ọ i là câ n
b ằ n g đ ộ n g g iữ a c á c p h ản ứng tiê u h ao v à c u n g c ấ p n ă n g lượng c ủ a trao đ ổ i ch ấ t tế bào.
N ú t đ iề u k h iể n thưcmg x u y ê n b ị p h á h u ỷ , n g h ĩa là thưòmg x u y ê n là m th a y đ ổ i trạng thái
c ủ a hệ th ố n g a d e n y lic , h à m lượng A T P trong tế bào ( v í d ụ nhữ ng tác đ ộ n g từ b ên n g o à i
d ẫ n đ ế n p h â n g iả i h a y tổng hợp A T P ) . N h ữ n g tác đ ộ n g như v ậ y c ó k h ả n ăn g là m m ất
c â n b ằ n g c ủ a hệ th ố n g . T h à n h p hần c u ố i c ù n g là ch ất đ iề u k h iể n là m n h iệ m v ụ đ iề u
k h iể n , v ì c h ú n g là m th ay đ ổ i g iá trị c ầ n thiết c ủ a m ứ c đ ộ đ iề u k h iể n . D o đ ó , ch ất đ iề u
k h iể n c ó liê n q u a n v ố i v ị trí đ iề u k h iể n là là m b iế n đ ổ i ăn kh ớ p vớ i tốc đ ộ c ủ a c á c p h ản
ú n g c u n g c ấ p A T P tro n g g ia i đ o ạn m ớ i.

Vị trí phá hùy làm thay đổi cân
bằrig động giữa tổng hợp và phân

.giải A TP
______i

Nút điều khiển

Mức độ điểu
khiển ATP

Cân bằng động giữa các phản
ứng trao đổi chất tiêu hao và cung
cẩpATP
. Tốc độ phản ứng cung
cấp A TP (quan trọng)
Những phản Cmg cung cấp A TP
C H Ấ T Đ IỂ U K HIỂN

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

Hình 6.1. Sơ đồ điều khiển tuần hoàn lưu lượng ATP trong tế bào.
T r o n g trao đ ổ i ch ấ t tế b ào , người ta đ ã tìm th ấ y c ó rất n h iề u v ò n g đ iề u k h iể n tuần
h o à n ( c á c c h u trìn h trao đ ổ i c h ấ t) theo k iể u đ ã m ô tả trên m à c h ú n g c ó q u a n h ệ vớ i n h a u
tro n g m ộ t ch ừ n g m ự c nhất đ ịn h . D o đ ó , trong cơ thể s in h vật, c h ú n g tạo th àn h m ột m ạ n g


NÂNG LƯỢNG SINH HỌC

121

lưới phức tạp nhữ ng cơ c h ế k iể m tra đ ể đ ả m bảo trìn h tự trao đ ổ i ch ấ t d iễ n ra b ìn h

thường.
T ro n g đ iề u k h iể n h ọ c , k h á i n iệ m tác d ụ n g ngược (P e e d b a c k ) c ó v a i trò cự c k ỳ
q u a n trọng. T á c d ụ n g ngược lạ i ià m ột ch ứ c n ăn g c ó tín h n g u y ê n tắc c ủ a đ ié u k h iể n tuần
h o àn . C h o nên người ta c h o rằng trong hệ thống đ ộ n g h ọ c b ị th a y đ ổ i là d o bắt n g u ồ n từ
tá c d ụ n g ngược lạ i c ủ a sản p h ẩm c h ín h q u á trìn h đ ó . T á c d ụ n g ngược lạ i tro n g trao đ ổ i
ch át là sản p h ẩm c u ố i c ù n g c ủ a c h u ỗ i p h ản ứng ản h hưởng đ ế n ho ạt đ ộ n g c ủ a e n z y m
c h ù đ ạ o , d o đ ó là m th a y đ ổ i tốc đ ộ c h u y ể n h o á d ò n g cơ ch ất tro n g q u á trìn h c h u n g . N h ư
v ậ y , c ó thể n ó i đ ó là m ột hệ thống tự đ iề u ho à.
T á c d ụ n g ngược lạ i c ó thể là dương h a y

â m , tu ỳ th u ộ c v à o ch ấ t tá c d ụ n g là m

hoạt h o á h a y k ìm h ã m e n z y m c h ủ đ ạo . V í d ụ tác d ụ n g â m như k ìm h ã m e n z y m L th re o n in d e sa m in a se ở

Escherichia coli

v à n ấ m m e n b ằn g L -is o le u c in n h ư s a u ( h ìn h

6 .2 ) ; và k ìm h ã m s in h tổng hợp p y r im id in b ằn g C T P (h ìn h 6 .3 ) .

C H ,- C H - C H - C O O H
O H NH,
NH/

Threonin

Threonindesaminase ^

a lp h a -c è to b u ty ra t

a lp h a -C e to h y d ro x y b u ty ra t

a lp h a -b e ta -D ih y d ro x y -b e ta -m e th y lv a le ra t

G

a lp h a -C e to -b e ta -m e th y lv a le ra t

CH3-CH-CH-COOH
CH3-CH2-NH2 -------------------------L - iio U u à n

H ìn h

6.2. Sinh tổng hợp is o le u c in từ threonin.

C ò n tác d ụ n g dương trở lạ i, v í d ụ như ho ạt h o á p e p sin o g e n v à t ry p s in o g e n b ằ n g
p ep sin và try p s in (x ú c tác tự đ ộ n g ) v à hoạt h o á p h o s p h o íru c to k in a s e b ằ n g s ả n p h ẩ m
p hản ứng c ù a n ó là fr u c to s e -l,6 -d ip h o s p h a t v à A D P ( h ìn h 6 .4 .).


CÁC NGUYÊN TẮC ĐlỀư HÒA TRAO Đổl CHAT

122

N h ữ n g e n z y m h o ặ c c h u ỗ i p h ản ứng e n z y m thường c ó h a i ch ứ c n ă n g k iể m tra h ay
g ọ i là k iể m tra k é p , đ ó là:
- M ộ t là k iể m tra k h ố i lượng, n g h ĩa là q u i lu ậ t tạo thành h a y p h â n g iả i liê n kết
e n z y m - cơ ch ất.
- H a i là k iể m tra đ iề u k h iể n nhờ nhữ ng tín h iệ u h o á h ọ c thưòrng g ậ p đ ố i vớ i c á c
e n z y m d ị lậ p thể, m à c ó thể d ẫ n đ ến hoạt h o á h a y k ìm h ãm (x e m c h u y ê n đ ể e n z y m ).

K iể m tra k é p là cơ sở c ủ a g iả th u yế t đ iể u k h iể n h ọ c . D o đ ó , đ ả m b ảo câ n b ằn g
trao đ ổ i ch ất là m c h o cơ thể tồn tại, d u y trì, s in h trưởng v à phát triển b ìn h thường.

0 .^ .0
/

NH
NH2 CH
WI 12
o =c

o=ệ

\

o

p

*

h,n-c-h
;1 = 0

u

ô
Carbamylaspartat

CH,

CTP
(iình 6.3. Tổng hợp pyrỉmidỉn và kìm hăm aspartattranscarbamylase báng CTP.

0
F-6-G + ATP

Phosphoíructokinase

t

Q

F- 1.6-diP + ADP

Hình 6.4. Tác dụng ngược dương của ADP và FDP đến hoạt động của
phosphofructokinase.


NÀNG LƯỢN(i SINH HỌC

123

6 .2 . N C Ỉ U Y Ê N T Ắ C Đ l Ể U H O À T R A O Đ ổ l C H Ấ T
6 .2 .1 .

K h á i n iệ in c h u n g
T ro n g nhữ ng chương vừa trìn h b à y , c h ú n g tòi đ ã đ ề c ậ p đ ến n h iề u k h á i n iệ m

đ iể u hoà irao đ ổ i c h ấ t, v í d ụ như h iệ u q u ả Pasteu r, đ iề u h o à g lu c o se h o á , đ iề u h o à tổng

hợp v à p h ân g iá i g ly c o g e n . v .v ...
T ro n g chư ơng n à y , ch ú n g tôi m u ố n đ i sâu v ào nhữ ng cơ sớ c ủ a đ iề u hoí'i trao đ ổ i
ch ất và q u a đ ó làm q u e n vớ i những lín h q u i luật q u a n trọng nhất m à c ó tronp đ iề u h o à
trao đ ổ i ch ất. C h ú n g tỏi c ũ n g m u ô n bổ su n g thêm những v í d ụ từ hệ thống p h ản ứng trao
d ổ i ch ất trong p hạm vi trao đ ổ i n ãn g lượng và trao đ ổ i h y d ra tc a rb o n b ằn g nhữ ng q u a n
đ iể m trao đ ổ i chất h iệ n n a y .
Đ ặ c Irưng đ ò i với trao đ ổ i ch ất c ủ a c á c cơ thể số n g là trạng th ái ổ n đ ịn h c a o ,
n g h ĩa là x á c đ ịn h c h ín h x á c tất c ả c á c q u á trìn h x ẩ y ra. Đ ó là k h ả n ăn g p h ản ứng trong
nhữ ng đ iể u k iệ n k h á c n h a u , v í d ụ n g ủ n g h i v à ho ạt đ ộ n g v ẫ n d iễ n ra c á c q u á trìn h p h ân
g iả i và tổng hợp, c ả m ứng và trấn á p ,... trong c á c đ iề u k iệ n k ỵ k h í và h iế u k h í. T r o n g
m ỗ i trường hợp, m ỗ i cơ thể đều c ó c á c cơ c h ế k iể m tra và tự đ iề u h o à đ ể đ ả m bảo th íc h
ứng c a o nhất với m ô i trường x u n g q u a n h v à c ả q u á trìn h số n g c ủ a c h ú n g .
6 .2 .2 .

N h ữ n g q u a n đ iể m đ iề u h o à sỏ lư ợ ng c ủ a c h u ỗ i p h ả n ứ n g
H iệ n n a y , v ấ n đề đ iề u h o à sô' lượng c ò n đ a n g là v ấ n đề tranh c ã i. T h e o q u a n

đ iể m đ iể u h o à số lượng c ò n c ầ n p h ải c ó cơ sở lý th u yế t, thực n g h iệ m , c á c p h ân tíc h v à
b ằn g chứ ng chứ ng m in h . K iể m tra p h ân tích trao đ ổ i ch ấ t p h ả i dựa v à o h a i cơ sờ sau :
a. D ự a vào tín h ch ất c ủ a m ỗ i e n z y m riê n g trong m ộ t c h u ỗ i trao đ ổ i ch ấ t, lừ ng
p h ần riê n g thì k h ô n g phụ thuộ c v à o hệ thống c h u n g .
b. D ự a v ào nhữ ng tín h ch ất đ ộ n g h ọ c v à q u a n hệ vớ i n h iệ t đ ộ n g h ọ c c ủ a hộ th ố n g
c h u n g trong c h u ỗ i trao đ ổ i ch ất h a y c h u trình trao đ ổ i ch ất đ ã n g h iê n c ứ u ,v .v ...
T ừ đ ó c ó thể h iểu rằng: những tín h ch ất c ủ a m ộ t hộ th ố n g là tổng s ố c á c tín h ch ấ t
từ c á c p h ần riê n g c ủ a hộ thố ng m à thực h iệ n c á c k iể m tra p h â n tíc h dựa v à o h a i cơ sở đ ã
n êu trẽn.
V ề phư ong d iệ n m ò i trường c ủ a m ột e n z y m nhất đ ịn h c ầ n p h ả i theo d õ i b ằ n g
những p h ân tíc h k iể m tra sự th ay đ ổ i hoạt đ ộ n g c ủ a n ó , k h i th a y đ ổ i n ồ n g độ m ộ t ch ấ t
c h u y ể n h o á đ ố i với đ ộ n g h ọ c c ủ a e n z y m n g h iê n cứ u ( v í d ụ c ơ ch ấ t, c o e n z y m , ch ất tác
d ụ n g â m h a y dương, v .v ...). Đ ặ c trưng s ố lượng là hệ sô' d ao đ ộ n g , đ ịn h n g h ĩa như sau :

124

CÁC NGUYÊN TẮC ĐlỀU HÒA TRAO Đổl C R \T
_ A v /v
A s /s

A v là th ay đ ổ i tốc đ ộ p h ản ứng d o e n z y m x ú c tác được x á c đ ịn h b ằ n g th a y đ ổ i
nồng độ

A s c ủ a m ộ t ch ất c h u y ể n h o á tro n g p h ản ứng e n z y m . N h ữ n g th a y đ ổ i tố c độ

p h ả n ứng được b iể u th ị b ằ n g A v /v v à A s /s p h ụ th u ộ c v à o th a y đ ổ i n ồ n g đ ộ c h ấ t c h u y ể n
h o á , k h i đ ọ ho ạt đ ộ n g c ủ a m ỗ i e n z y m b ị ả n h hưởng bởi tất c ả c á c tiể u p h ầ n p h ả n ứng
như : cơ c h ấ t, sản p h ẩ m , c o e n z y m , c á c ch ấ t tác d ụ n g d ị lậ p thể, V.V.... S ả n p h ẩ m c ủ a hệ
th ố n g là hệ s ố d a o đ ộ n g vớ i n ồ n g đ ộ c h ấ t c h u y ể n h o á

A s /s g ọ i là đ á p ứng c ủ a hệ th ố n g

( A v /v ) , n g h ĩa là thể h iộ n sự th a y đ ổ i tốc đ ộ p h ả n ứng c ủ a e n z y m n à y . G i á trị e th ì h o ặ c
là dư ơng h o ặ c là â m , n g h ĩa ỉà ho ạt đ ộ n g c ủ a e n z y m c a o h a y thấp sa u k h i là m th a y đ ổ i
m ộ t ch ấ t c h u y ể n h o á.
K h i c h ú n g ta theo d õ i toàn b ộ hệ th ố n g trao đ ổ i ch ất ỉchông c h ỉ m ộ t e n z y m th a m
g ia , c h o n ê n n g u y ê n n h â n g â y ra ứ iay đ ổ i h o ạt đ ộ n g c ủ a m ộ t e n z y m tro n g hệ th ố n g d o
th a y đ ổ i n ồ n g đ ộ e n z y m (đ iề u h o à g ia i đ o ạ n g e n ) h a y n ồ n g đ ộ m ộ t c h ấ t c h u y ể n h o á
( đ iề u h o à c h u y ể n h o á ) m à k h ô n g c ó ả n h hưởng đ ế n sự th a y đ ổ i tốc đ ộ c ủ a toàn h ệ th ố n g .
Sự th a y đ ổ i c h u ỗ i trao đ ổ i c h ấ t ( A J ) từ đ ầ u (J) p h ụ

th u ộ c v à o th a y đ ổ i h o ạt đ ộ n g h a y

n ồ n g đ ộ e n z y n i c ủ a c h u ỗ i n à y ( A E ) được tá ch từ ho ạt đ ộ n g b a n đ ầ u ( E ) , g ọ i là h iệ u q u ả
k iể m tra d ò n g c ơ ch ấ t:

c=

AJ/J
AE/E

Đ ố i v ó i d ò n g cơ c h ấ t tro n g trạng th á i tĩn h th ì c ó n h iể u h iệ u s ố k iể m tra d ò n g như
v ậ y , tro n g đ ó c ó e n z y m c ủ a h ệ th ố n g trao đ ổ i ch ấ t n à y .
T h e o g iả th u yế t n à y th ì e n z y m g ó p m ộ t Ị ^ ầ n tốc đ ộ là m b iế n đ ổ i c h u ỗ i trao đ ổ i
c h ấ t. V i ệ c tá c h n h ỏ s ố lượng c ủ a c h u ỗ i p h ả n ú n g c h u n g nh ờ nhữ ng g iả th u y ế t k iể m tra
b iế n đ ổ i q u a ư a o đ ổ i ch ấ t đ ã được trìn h b à y ở trên. M ỗ i e n z y m được s ắ p x ế p m ộ t p h á n
tro n g k iể m tra d ò n g b iế n đ ổ i c ủ a hệ th ố n g . T ấ t n h iê n , m ỗ i h iệ u q u ả k iể m tra d ò n g c ó thể
là dư ơng h a y â m c ó g iá trị k h á c n h a u từ e n z y m n à y đ ế n e n z y m k h á c . G i á trị lớ n nhất đ ã
được k h ấ u trừ, c ò n lạ i là p h ầ n c ủ a m ỗ i e n z y m trong k iể m tra d ò n g b iế n đ ổ i trong c h u ỗ i
trao đ ổ i ch ất.
T ừ nh ữ ng Ịrfiần đ ã trìn h b à y ư ê n , c h o th ấ y nhữ ng b iế n đ ổ i h o ạt đ ộ n g h a y n ồ n g đ ộ
e n z y m g ọ i là b iế n đ ổ i vật ch ấ t toàn c h u ỗ i, là m x u ấ t h iệ n sự b iế n đ ổ i n ồ n g đ ộ c á c c h ấ t
tru n g g ia n . N h ữ n g b iế n d ổ i n à y g ọ i ià h iệ u q u ả k iể tn tra n ổ n g đ ộ .


NÀNG LƯỢNG SINH HỌC

.

H iệ u q u ả k iể m tra n ồ n g đ ộ

125

=
A E /E

N h ư v ậ y , c h ú n g là nhữ ng th a y đ ổ i từng p h ần n ồ n g đ ộ c ơ ch ấ t (c h ấ t c h u y ể n h o á )
ở m ộ t c h u ỗ i k h i c ó b iến đ ổ i hoạt đ ộ n g h a y n ồ n g đ ộ e n z y m n h ất đ ịn h . N ó c ó hộ s ố k iể m
tra n ồ n g đ ộ như trên v à c ố bước x ú c tác e n z y m trong c h u ỗ i trao đ ổ i c h ấ t thường g ặp .
C á c h iệ u s ố d ao đ ộ n g v ù n g c ủ a m ộ t hộ thố ng c h u y ể n h o á v à h iệ u s ố k iể m tra
d ò n g h a y k iể m tra n ồ n g đ ộ c ó m ố i q u a n h ệ về sô' lượng với n h a u . Đ ó là n h ữ ng trả lờ i c ủ a
hệ th ô n g c h u n g dựa trên nhữ ng b iế n đ ổ i đ iề u k iệ n bên n g o à i ( v í d ụ th a y đ ổ i m ộ t n h â n tố
d ị lậ p thể) v à nhữ ng trả lời c ủ a từng bước riê n g .
L ý thuyết p h â n tíc h k iể m tra d o K a c s e r v à R ap o p o rt đ ề n g h ị đ ã được ứng d ụ n g
để g iả i th íc h đường phân ờ h ồ n g c ầ u , s in h tổng hợp a rg in in ở N e u r o s p o ra , v â n c h u y ể n
đ iệ n tử q u a m à n g ty thể, c ũ n g như p h ân g iả i a x it a m in n h ân thơm ở tế b à o g a n ,... N g ư ờ i
ta đ ã phát h iệ n trong h ồ n g c ầ u c ó c á c e n z y m

c ủ a đưòíng p h â n ( g ly c o ly s e ) nh ư

h e x o k in a s e v à p h o s p h o ín ic to k in a s e c ó v a i trò q u a n trọng nhất ư o n g k iể m tra d ò n g v ậ t
ch ấ t, m à c h ủ y ế u ỉà c á c ch ấ t c h u y ể n h o á c ủ a q u á trin h đường p h â n . M ộ t p h â n t íc h c h i
tiết v à đ ầ y đ ủ về try p to p h a n d io x y g e n a se ờ tế b ào g a n , chứ ng tỏ e n z y m n à y c ó v a i trò
đ iề u h o à sô' lượng k h i p h ân g iả i trypto phan.
6 .2 .3 .

C á c d iệ n đ iề u h o à
Đ ặ c trưng d ố i vớ i cơ thể số n g là trạng thái ổ n đ ịn h c a o , n g h ĩa là c h ú n g p h ả n ú n g

chính xác với tất cả các quá trình xẩy ra trong cơ thể. Piểu đó có thể thực hiên trong các
đ iề u k iệ n k h á c n h a u c ủ a m ô i trường số n g , v í d ụ n g ủ n g h ỉ v à ho ạt đ ộ n g v ẫ n x ẩ y ra c á c
q u á trìn h p h â n g iả i và tổng hợp, c ả m ứng v à trấn á p , h iế u k h í v à k ỵ k h í.v .v ... T r o n g m ỗ i

trường hợp đều c ó c á c c ơ c h ế k iể m tra v à tự đ iể u h o à đ ể đ ả m b ả o ă n k h ớ p tố i đ a c ủ a cơ
thể số n g vớ i từng thời k ỳ v à c ả q u á trìn h số n g . N gư ờ i ta c ó thể c h ia đ iề u h o à th à n h b a
lo ạ i k h á c n h a u là:
- Đ iề u h o à c h u y ể n h o á.
- Đ iể u h o à

giai đoạn gen (đ iể u h o à tác d ụ n g n g o ạ i m ô i).

- Đ iề u h o à h o ạt đ ộ n g gen.

a. Điều hoà chuyển h oá (Metabolism)
N g ư ờ i ta g ọ i h iệ n tượng đ iể u h o à, m à x ẩ y ra trong tế b à o , k h i c ó sự th am g ia c ủ a
e n z y m để g iữ trạng thái k h ô n g th a y đ ổ i là đ iề u h o à c h u y ể n h o á. T r o n g h ệ th ố n g n à y b a o
g ồ m c á c tá c d ụ n g trao đ ổ i giữ a e n z y m vớ i cơ ch ấ t, c ũ n g như c á c c h ấ t k ìm h ã m v à h o ạt
h o á . N g o à i ra cò n c ó c á c lá c d ụ n g là m th ay đ ổ i c ấ u h ìn h d ẫ n đ ế n là m th a y đ ổ i ho ạt đ ộ n g


126

CÁC NGUYÊN TÁC ĐlỂư HÒA TRAO Đổl CHAT

e n z y m , v í d ụ liê n kết c á c ch ất tác d ụ n g dương h a y â m , như trường hợp đ ố i vớ i c á c
p ro te in d ị lậ p thể. M ặ t k h á c , k h i c ó c á c b iế n đ ổ i th uận n g h ịc h trong hệ th ố n g c ũ n g có
thể d ẫ n đ ế n là m th a y đ ổ i cộ n g h o á trị c ủ a p ro te in -e n z y m ,

d o đ ó d ẫ n đ ế n là m

th ay

đổi

h o ạt đ ộ n g e n z y m . T r o n g hệ thống c h u y ể n h o á th ì c á c q u á trìn h p h â n g iả i c ó tác d ụ n g
trao đ ổ i g iữ a cơ ch ấ t v à ch ất tác d ụ n g vớ i e n z y m c ủ a ch ú n g . C h o nên c á c ch ấ t c h u y ể n
h o á b ị b iế n đ ổ i b ằ n g e n z y m , c ũ n g như nhữ ng th a y đ ổ i c ấ u h ìn h e n z y m đ ề u d ẫ n đ ến là m
th a y đ ổ i tá c d ụ n g x ú c tác c ủ a e n z y m trong m ộ t chừ ng m ự c nhất đ ịn h . Q u á trìn h n à y , đ ò i
h ỏ i thời g ia n từ 1 0 ** đ ến 10^ g iâ y .

b. Điều hoà giai đoạn gen (Epigenesis)
Đ iề u h o à g ia i đ o a n gen c h ủ y ế u được đ ặ c trưng b ằn g trao đ ổ i c ủ a c á c ch ất c a o
p h â n tử s in h h ọ c như a x it n u c le ic v à c á c p ro te in , đ ó là c á c q u á trìn h tổng hợp và p h â n
g iả i c á c ch ấ t n à y . C á c q u á trìn h c ả m ứng v à trấn á p th u ộ c về đ iề u h o à g ia i đ o ạn g e n .
N h u c ầ u thời g ia n đ ể tổng hợp m ộ t p h ân tử p ro tein ở v i k h u ẩ n cầ n k h o ả n g 5 g iâ y , c ò n
c ơ thể b ậ c c a o c ầ n k h o ả n g v à i phút, ở v i k h u ẩ n m u ố n tổng họfp p h â n tử A R N

ở

m ất

k h o ả n g 1 g iâ y , c ò n ở cơ thể b ậc c a o m ất k h o ả n g 1 phút. Đ iề u h o à g ia i đ o ạn gen b iể u
h iệ n m ứ c đ ộ “k iể m tra thô ” đ ố i vớ i hoạt đ ộ n g e n z y m , c ò n đ iề u h ò a c h u y ể n h o á là k iể m
tra “c h ín h x á c ” ho ạt đ ộ n g e n z y m .
C á c q u á trìn h s in h trưởng, phát triể n , p h ân h o á và g ià h o á c ũ n g th u ộ c v à o đ iể u
h o à g ia i đ o ạ n g e n . B ở i v ì c á c q u á trìn h đ iề u h o à g ia i đ o ạ n g e n , đ ặ c trưng b ằ n g nhữ ng
b iế n đ ổ i đ ặ c b iệt trong q u á trìn h tổng hợp pro tein v à a x it n u c le ic trong p h ạ m v i bào q u a n
v à m ô . C h ú n g là nhữ ng q u á trìn h c ó tín h ch ấ t q u i lu ật v à p hụ th u ộ c v à o c á c n h â n tô tiê u
h a o v à c u n g c ấ p n ă n g lượng c ó tác d ụ n g đ iề u h o à g ia i đ o ạ n gen. N h u c ầ u thời g ia n c ủ a
q u á trìn h n à y trong p h ạm v i từ 1 0 phút đ ế n h à n g 1 0 0 giờ.
c.

Điều h oà hoạt động gen

Đ iề u h o à ho ạt đ ộ n g g e n , trong m ộ t k h u ô n k h ổ thời g ia n nhất đ ịn h n ó là m ộ t
h ằ n g số . N h u c ầ u thờ i g ia n đ ể là m th a y đ ổ i hộ thống đ iề u h o à ho ạt đ ộ n g gen ở v i s in h
v ậ t n g ắ n hơ n ở s in h vật b ậ c c a o . N gư ờ i ta c h o biết đ ể là m b iế n đ ổ i m ộ t q u á trìn h p h ả i
tro n g g iớ i h ạ n từ 1 0 0 g iờ đ ến 10'* n ă m v à c ó thể hơn nữa. N ế u người ta theo d õ i q u á trìn h
tiế n h o á dự a v à o nhữ ng th ay đ ổ i p h ân tử c ủ a A D N là k h u ô n m ẫ u d i tru y ề n th ì n h u c ầ u
thờ i g ia n rất lớn.
H iộ n n a y , p h ầ n ló n người ta tập tru n g n g h iê n cứ u đ iề u h o à trao đ ổ i ch ấ t b ằ n g
đ iề u h o à c h u y ể n h o á v à m ố i liê n q u a n vớ i c á c lo ạ i đ iề u h o à g ia i đ o ạ n g e n v à h o ạt đ ộ n g
g e n . T h e o c h ú n g tô i, c ó lẽ đ iể u h o à c h u y ể n h o á đơn g iả n , thực h iệ n dễ d à n g , c h i p h í ít


NĂNG LƯỢNG SINH HỌC

127

m à lạ i c h ín h xác và h iệ u q u ả c a o . M ặ t k h á c , nó c ũ n g là cơ sở g iá n tiế p đ ể đ iể u h o à g ia i
đo ạn gen và hoạt đ ộ n g gen.
6 .3 . Ý N G H Ĩ A C Ủ A H Ệ T H Ố N G A D E N Y L I C T R O N G Đ l Ể U

HOÀ TRA O

Đ ổ l

CH ẤT
N h ư c h ú n g ta đ ã b iết, dưới tác d ụ n g c ủ a trao đ ổ i ch ấ t, A T P được tổ n g hợp h a y
phân g iả i. N gư ợ c lạ i, v ò n g đ iề u k h iể n tuần h o àn A T P ở trên c ũ n g ch ứ n g tỏ A T P c ó v a i
trò đ iề u h o à trao đ ổ i ch ất tế bào. T ấ t c ả c á c c ô n g trìn h n g h iê n cứu A T P đ ề u c ó n g ụ ý

'‘Đồng tiên vạn

chứ ng m in h v a i trò q u an trọng c ủ a A T P . D o đ ó , A T P được c o i như

năii^"

c ủ a trao đ ổ i ch ất tế bào.
T ro n g q u á trìn h hô h ấ p v à đường p h ân ( g ly c o ly s e ) th ì A T P được h ìn h th à n h theo

phưofng trìn h c h u n g dưới đ â y :
ADP

+

p

ATP

+

H jO

và đ ố i với c á c q u á trình tiêu h ao n ăn g lượng thì phân g iả i A T P theo p h ản ứng ngược lạ i.
T ro n g trao đ ổ i ch ất tế bào thì hệ thống a d e n y lic b ao g ồ m A M P , A D P v à A T P c ó thể b iế n
đổ i tưcmg hỗ với n h au đ ể lu ô n lu ô n đạt th ế c â n b ằn g n h a n h c h ó n g , k h i đ ó g iữ a c á c th àn h
phần c ó thể x ẩ y ra:
ATP

+

AM P

2A D P

C á c q u á trìn h c â n b ằn g c h u y ể n hoá giữ a c á c th àn h p h ần hệ th ố n g a d e n y lic là nh ờ
v a i trò x ú c tác c u ả ad e n ylatkin a.se . N g o à i ra hộ thố ng a d e n y lic , trước hết là A M P v à
A T P c ó ản h hương trái ngược n h au đ ến h àn g loạt e n z y m đ iề u h o à trao đ ổ i c h ấ t. V í d ụ
A M P c ó v a i trò đ iể u hoà p hân g iả i và g lu c o s e h o á. B ở i v ì ở n ồ n g đ ộ thấp th ì A M P c ó tác
dụng

hoạt

hoá

e n zy m

ír u c t o s e -1 ,6 -d ip h o sp h a ta se

và

không

tác

dụng

vớ i

p h o sp h o íru c to k in a s e , d o đ ó d ẫn đ ến h iệ n tượng g lu c o se h o á. N h ư n g k h i n ồ n g đ ộ c a o th ì
AM P

lạ i

có

tác

dụng

k ìm

h ãm

ír u c t o s e -1 , 6 - d ip h o sp h a ta se đ ồ n g

thờ i h o ạt h o á

p h o sp h o íru c to k in a s e , c h o nên d ẫn đến là m tăng cường p h ân g iả i g lu c o se .
Đ ố i vớ i những e n z y m nhất đ ịn h thì A M P , A D P h a y A T P thưcmg c ó tác d ụ n g trái
ngược n h a u . V í d ụ p h o sp h o ữ u cto k in a se h a y iso citra td e h y d ro g e n a se th ì A M P

và A D P

là m tăng hoạt đ ộ n g c ủ a c á c e n z y m n à y , ngược lạ i c á c e n z y m n à y b ị k ìm h ã m b ằ n g A T P .
N h ữ n g h iệ n tượng như v ậ y c h o phép c h ú n g ta c ó thể g iả thiết “ t íc h lu ỹ n ã n g lư ợ ng” k h á c
n hau c ủ a hệ th ố n g a d e n y lic m à c ó tác d ụ n g đ iề u h o à c h u ỗ i p h ả n ứng v ớ i m ứ c đ ộ k h á c
n h au c ủ a từng th àn h p hần c ủ a hệ thố ng a d e n y lic . T h e o A t k in s o n th ì tíc h lu ỹ n ă n g lượng
(en erg y c h a rg e ) c ó thê b iểu d iễ n như sau:


CÁC NGUYÊN TẮC ĐlÊư HÒA TRAO Đ ổl CHẤT

128

Tích luỹ năng lượng

=

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

Từ {^ương trình trên cho thấy: cứ hai phân tử ADP tương đưcmg với một phân tử
ATP, như vậy tích luỹ nâng lượng là do hiệu quả phân tử của ATP. Điều đó cũng phù
hợp với số nhóm Ị^osphat cao năng trong í^iân tử của chúng. Cụ thể AMP trong hệ
thống chung coi như không tích luỹ năng lượng và có giá trị tích luỷ bằng không (0 ),
còn ATP coi như tích luỹ hoàn toàn (100%) và có giá trị tích luỹ bằng 1.
Người ta ví quá trình tích luỹ năng lượng của các thành phần hệ thống adenylic
phụ thuộc nồng độ của chúng cũng giống như điện dung (sức chứa điện) của một “acqui
c h ì” (cư ờ ng đ ộ d ò n g d iệ n X thời g ia n ) p h ụ th u ộ c v à o n ổ n g đ ộ c á c trạn g t h á i o x y h o á

khác nhau của các tấm chì. So sánh này chỉ tương dối, vì năng lượng tự do tiêu chuẩn
khi thuỷ Ịáiân các liên kết pyroỊáiosphat trong ATP và ADP là khác nhau. Những enzym
có biểu hiện phản úng khi thay đổi tích iuỹ năng lượng về nguyên tắc theo hai khả năng:
- M ộ t là c h ú n g tạo th àn h c h u ỗ i m à là m tái
- H a i là c ó thể trìn h b à y theo

tạo A T P h a y tiê u h a o A T P .

hình v ẽ dưới đ â y (hình 6 .5 ) :

Trong phần A cho biết thành phần phần trăm tích luỹ năng lượng với những giá

uị khác nhau của AMP, ADP và ATP. Phần B là tốc độ [ứiản ứng của enzym kiểm tra
Ị^ụ thuộc vào chuỗi trao dổi chất tạo thành ATP ( R ) và vào chuỗi phản ứng tiêu hao
ATP do tích luỹ năng lượng (V). Các enzym như: {Aosphofructokinase, pyruvatdehydrogenase, citratsynthetase, isocitratdehydrogenase,... thì phản úng của chúng diễn ra
[^ù hợp vói tích luỹ nảng lượng của dưòng cong R. Còn aspartatkinase, phosphoribosylpyrophosỊ^at-synthetase, V .V .... thì lại theo đường c(Htg V.

B

0.5

100

1,0

Hình 6.5. Tích luỹ nâng lượng của hệ thống adenylic:
chất chuyển hoá: ỉ=thấp, 2=trung bình và 3=cao.


NẢNG LƯỢNG SINH HỌC
C â n bằng giữ a c á c q u á trìn h p hản ứng tạo thành

129

ATP v à tiê u h a o ATP là đ iể m

cắt c ủ a h a i đưòfng c o n g g ặ p n h a u . K h i là m g iả m tíc h lu ỹ n ă n g lượng th ì lạ i là m tăng c á c
q u á trìn h c u n g c ấ p n ã n g lượng v à g iả m c á c q u á trìn h tiê u h a o n ă n g lư ợ ng. C ò n k h i tăng
tích lu ỹ n ăn g lượng c ủ a hộ th ố n g a d e n y lic th ì c ó tác d ụ n g ngược lạ i.
N h ữ n g đ iề u m ô tả trên là c ơ sở đ ể đ iể u h o à hộ th ố n g p h ả n ứng c u n g c ấ p v à tiê u
h ao n ăn g lưcmg c ủ a trao đ ổ i ch ấ t tế bào. Đ ạ c b iệt, k h i đ iể u h o à nhữ ng c o n đường trao
đ ổ i ch ất đ ố i với c á c q u á trìn h h ỗ n hợp th ì tác d ụ n g k h ô n g c h ỉ là p h ản ứng

tiêu h a o A T P

m à c ò n c ả c u n g c ấ p A T P . N h ữ n g c o n đường trao đ ổ i ch ấ t như v ậ y g ọ i là c h u ỗ i p h ản ứng
h ai m ặ l. V í d ụ g ly c o ly s e là c o n đường h a i m ặt. C o n đường n à y th ì k iể m tra tíc h lu ỹ n ă n g
lượng x ẩ y ra ở c á c v ị trí c ủ a p h o sp h o íru c to k in a s e , p y ru v a tk in a s e h a y h e x o k in a s e . Đ ể
thực h iệ n đ iề u đ ó th ì c h ỉ riê n g hệ thống a d e n y lic c ó thể đ iề u h o à s in h tổng hợp th àn h c á c
ch ất c h u y ể n h o á tiê u b iể u như: p y n iv a t, a c e t y l-C o A , o x a la c e t a t ,a - ce to g lu ta ra t, v .v ... D o
đ ó , k h i tíc h lu ỹ n ã n g lượng c a o lạ i là m g iả m tốc đ ộ tạo th àn h c á c ch ấ t trên. T r o n g nhữ ng
trường hợp như v ậ y là d o cơ c h ế tác d ụ n g ngược. B ở i v ì citra t là c h ấ t tác d ụ n g â m đ ố i v ó i
p h o sp h o íru c to k in a s e v à a c e t y l-C o A là ch ất tác d ụ n g â m c ủ a p y ru v a td e h y d ro g e n a se .
N h ữ n g k iể u k ìm h ã m b ằn g sả n p h ẩ m như v ậ y , h ầu như k h ô n g x ẩ y ra k h i tíc h lu ỹ n ă n g
lượng thấp, nhưng k h i tíc h lu ỹ n ăn g lượng c a o lạ i tăng tá c d ụ n g k ìm h ã m đ á n g k ể , đ iề u
đ ó được trìn h b à y trên h ìn h c .
C h u ỗ i p h ản ứng h a i m ặt như g ly c o ly s e th ì tốc đ ộ p h ả n ứng ẹ n z y m p h ụ th u ộ c v à o
c á c ch ất c h u y ể n h o á là m tín h iệ u , c á c ch ấ t c h u y ể n h o á c ó n ồ n g đ ộ th ấp h a y c a o tu ỳ
th u ộ c v à o k h ả n ă n g tích lu ỹ n ăn g lượng k h á c n h a u . N ồ n g đ ộ th ấp c ủ a tín h iệ u c h u y ể n
h o á (đ ố i vớ i g ly c o ly s e c ó lẽ là citra t) th ì bước p h ả n ứng e n z y m c ủ a c o n đường n à y
(p h o s p h o íru c to k in a s e trong trường hợp đường p h â n ) c h ỉ b ị p h ụ th u ộ c rất ít v à o tíc h lu ỹ
n à n g lượng, như ng k h i n ổ n g đ ộ c a o c ủ a tín h iệ u c h u y ể n h o á th ì là m tăn g c ả m ứng c ủ a
e n z y m k iể m tra đ ố i với tíc h lu ỹ n ă n g lượng. N h ư v ậ y , d ò n g c ơ ch ấ t b ị trì trệ dưới ản h
hưởng tíc h lu ỹ n ă n g ỉượng v ó i g iá trị c a o trong c h u ỗ i.
N h ữ n g đ iề u m ô tả trên đ â y chứ ng tỏ tốc đ ộ trao đ ổ i c h ấ t p h ụ th u ộ c v à o c á c th ô n g
s ô k iê m tra k h á c n h a u v à q u a đ ó c h o th ấ y hệ thống a d e n y lic c ó v a i trò q u y ế t đ ịn h đ iẻ u
k h iể n trìn h tự hộ thống trao đ ổ i ch ấ t tế bào.
6 .4 . Đ I Ể U H O À H O Ạ T Đ Ộ N G Ề N Z Y M
C h ú n g ta biết rằn g , trong c á c đ iề u k iê n cơ th ể -đ ẳ n g á p v à đ ẳ n g n h iê t -c á c p h ả n
ứng h o á h ọ c phứ c tạp v ẫ n d iễ n ra vớ i tốc đ ộ c a o v à theo m ộ t trìn h tự n h ất đ ịn h , đ ó là n h ờ
tá c d ụ n g c ủ a e n z y m - ch ấ t x ú c tác v à đ iề u c h ỉn h s in h h ọ c . C á c tín h iệ u đ iệ n , c á c c h ấ t
h o rm o n v à c á c ch ất c h u y ể n h o á c ó tác d ụ n g đ iề u k h iể n h o ạt

động e n z y m c h o p h ù hợ p


130

CÁC NGUYÊN TÁC ĐlÊư HÒA TRAO Đ ổl CHẤT

với môi trường xung quanh. Cho nên, khi chúng ta biết một cách đầy đủ tính chất động
học và túih chất Ị^ăn tử của enzym, chúng ta có thể điều hoà phản úng enzym iheo
chiều hướng mong muốn.
6.4.1. Enzym với một cơ chất
Xuất phát từ nhũng cơ sở trên, chúng tôi muốn trình bày vấn đề trao đổi chất
thông qua điều hoà hoạt động enzym. Trước hết, chúng ta quan tâm đến các enzym tuân
theo động học Michaelis - Menten thông thường, nghĩa là đưòmg cong biểu diễn tốc độ
cuả chúng diễn ra dưới dạng đường cong hyperbol. Hoạt động xúc tác của enzym bị ảnh
hường bởi nhiều nhân tố khác nhau như; pH, nhiệt độ, ion lực, coenzym, coíactơ, cũng
như nồng độ cơ chất, V.V.. Đối với các enzym tuân theo động học Michaelis - Menten bị
thay đổi hoạt động chủ yếu do điều hoà bằng nồng độ cơ chất, vì:
V

[S]

= k.[E]

K m + [S ]

Nhìn vào phương trình trên, chúng ta thấy: khi nồng độ enzym là hằng sô' và
nồng độ cơ chất dưới bão hoà thì hoạt động của enzym phụ ứiuộc vào nồng độ cơ chất.
Ngược lại, khi bão hoà cơ chất thì tốc độ phản úng enzym không Ị^ụ thuộc vào nồng độ

cơ chất nữa, do đó chúng có mối quan hệ:
V

=

k.[E]

Nghĩa là tốc độ phản úng chỉ còn Ị^ụ thuộc vào nồng dộ enzym và khả năng xúc
tác enzym. Còn hằng số k biến dổi theo nhiệt độ, pH, V. V...

Hình

6

.6 . Tốc độ hoạt động

enzym với một cơ chất.

Trong các chu trình dưòng Ị^ân, chu trình Crebs, P-oxy hoá axit béo, v.v...
Người ta thấy không chỉ có các enzym bị ảnh hưởng khi bão hoà cơ chất mà còn cố các
enzym bị ảnh hưỏng ngay ở nồng độ cơ chất dưới bão hoà. Cho nên trong các trường hợp


NĂNG LƯỢNG SINH HỌC

131

sa u k h i là m th a y đ ổ i n ồ n g đ ộ cơ ch ất c ó tác d ụ n g là m th a y đ ổ i ho ạt đ ộ n g e n z y m ( v í d ụ
g lu c o k in a s e ). P h ẩ n lớn c á c e n z y m c ó tác d ụ n g đ iề u h o à trao đ ổ i ch ấ t

in vivo

b ị ản h

hường trong p h ạ m v i n ồ n g đ ộ cơ ch ất dư ói b ão h o à. T r o n g v ấ h đ ể đ iể u h o à h o ạt đ ộ n g
e n z y m , người ta c ũ n g c ầ n q u a n tâm tới c á c trường hợp đ ặ c b iệ t k h á c .
6 .4 .2 .

N h iề u c ơ c h ấ t vớ i m ộ t e n z y m
V í d ụ , c ó h a i cơ ch ấ t k h á c n h a u c ạ n h tranh lê n c ù n g m ộ t e n z y m . Trư ờ n g hợp

n à y , người ta m ô tả tốc đ ộ b iế n đ ổ i tương đ ố i c ủ a h a i cơ c h ấ t vớ i n ồ n g đ ộ b ão h o à c ủ a
c h ú n g , á i lực c ủ a h a i cơ ch ấ t đ ến p ro te in -e n z y m v à ho ạt đ ộ n g c ủ a e n z y m đ ố i vớ i h a i c ơ
ch ấ t trên h ìn h 6 .7 .

H ìn h 6 .7 . C ạ n h t r a n h c ủ a h a i cơ

H ìn h 6 .8 . C ạ n h t r a n h c ủ a h a i e n z y in

c h ấ t lê n m ộ t e n z y m .

lê n m ộ t c ơ c h ấ t .

T r o n g h ìn h 6 .7 , c h ú n g ta th ấ y ho ạt đ ộ n g cự c đ ạ i v à K m c ủ a e n z y m đ ố i v ớ i h a i c ơ
c h ấ t A v à B h o àn to àn k h á c n h a u . M ặ c d ù n ồ n g đ ộ

cơ

ch ấ t A tại v ị trí K m a ( ^ i) Ỉỉỉấ p hơ n

B ị, đ ồ n g thời tro n g p h ạm v i đ ó c ò n c ó tác d ụ n g k ìm h ã m c ạ n h tranh c ủ a B |, như ng d o á i
lự c c ủ a A vớ i e n z y m lớn hơn B vớ i e n z y m m à tại c á c thời đ iể m đ ó h o ạt đ ộ n g x ú c tác c ủ a
enzym

ở

n ồ n g đ ộ A | v ẫn lớn hơn

B ị.

C ò n trường hợp

Aị

và

(n ồ n g đ ộ b ão h o à ) h o à n

toàn ngược lạ i. H iệ n tượng n à y c ó thể g iả i th íc h theo k iể u k ìm h ã m c ạ n h tranh.
6 .4 .3 .

N h iề u e n z y m vớ i m ộ t cơ c h ấ t
N gư ờ i ta th ấ y trong tự n h iê n c ó trường hợp h a i h a y n h iề u e n z y m c ạ n h tranh lê n

m ộ t cơ ch ấ t, tro ng đ ó thường g ặp
c h ấ t.

ở các

v ị trí p h â n n h á n h c ủ a c á c c o n đường trao đ ổ i

V í d ụ g lu c o s e -6 -p h o s p h a t c ó thể th am

g ia v à o c á c

c o n đường: g ly c o ly s e .


132

CÁC NGUYÊN TÁC ĐlỀU HÒA TRAO Đ ổl CHẤT

p en to se p h o sp h a t, tổ n g

hợp g ly c o g e n ,...

A x it

p y r u v ic

có

thể đ i

vào

con

đưcmg:

la c ta td e h y d ro g e n a s e , c h u ỗ i h ô h ấ p ,... v à a c e t y l-C o A th am g ia tổng hợp a x it b éo , tạo thể
c e to n , đ i v à o c h u trìn h c it r ic ,... Q u a đ ó , c h ú n g ta th ấ y v iệ c p h ân c h ia c á c ch ấ t tro ng trao
đ ổ i c h ấ t hết sữc q u a n trọ n g đ ố i vớ i v iệ c đ iề u h o à trao đ ổ i ch ấ t. C h ú n g ta c ó thể trìn h b ày
c ụ thể vể c h u y ể n h o á c ủ a g lu c o s e b ằn g h a i c o n đường o x y h o á trực tiế p v à g ly c o ly s e , d ĩ
n h iê n tro ng tế b ào k h ô n g sử d ụ n g g lu c o s e -6 -p h o s p h a t đ ể tổng hợp g ly c o g e n v à p h ả n ứng
c ủ a g lu c o s e -6 -p h o s p h a ta s e ( v í d ụ ở h ồ n g c ầ u ).
N g ư ờ i ta n g h iê n cứ u c h o th ấ y rằ n g : Km c ủ a p h o s p h o g lu c o s e -is o m e ra s e đ ô i với
g lu c o s e -6 -p h o s p h a t là 1 , 7 X 10'^ M (S ị) , c ò n Km c ủ a g lu c o s e -6 -p h o s p h a t-d e h y d ro g e n a s e
là 1 , 3 X 1 0 ’ M ( S ,) . N h ư v ậ y , c o n đường o x y h o á trực tiế p c ạ n h tran h g lu c o s e -6 p h o sp h a t m ạ n h hơ n c o n đường dường p h â n rất n h iề u , m ặ c d ù tốc đ ộ cự c đ ạ i c ù a
is o m a ra s e lớ n hơn n h iề u so vớ i d e h y d ro g e n a se (h ìn h 6 .8 .).
N gư ợ c lạ i, k h i n ồ n g đ ộ g lu c o s e -6 -p h o s p h a t c a o hơn (S ị ), là đ iề u k iệ n th u ận lợi
c h o d e h y d ro đ ể tạo th àn h fru c to s e -6 -p h o s p h a t.
M ặ t k h á c q u a n trọng hơn là g lu c o s e -6 -p h o s p h a t-d e h y d ro g e n a s e c ò n c ầ n cơ ch ất
thứ h a i là N A D F m ớ i ho ạt đ ộ n g . T r o n g tế b ào ch ấ t th ì ch ấ t n à y c h ỉ tồn tạ i m ộ t lượng rất
n h ỏ ở d ạ n g o x y h o á , m à c h ủ y ế u ở d ạ n g khử . C h ín h v ì v ậ y , k h i người ta th í n g h iệ m o x y
h o á N A D P H (n h ư th êm x a n h m e ty le n v à o h ổ n g c ầ u ) , th ấy là m tăng đ á n g k ể q u á trìn h
o x y h o á trực tiế p g lu c o s e -6 -p h o s p h a t. Đ iề u đ ó ch ứ n g m in h rằ n g thương s ố N A D P * /
N A D P H c ó ý n g h ĩa ch ứ c n ăn g đ iề u h o à trao đ ổ i ch ấ t tế bào. Th ư ơ n g s ố n à y dự a trên cơ
sở tá c d ụ n g k h ố i lượng h o á h ọ c m à x á c đ ịn h c h iề u hướng p h ản ím g d e h y d ro g e n a s e
( h y d r o h o á h a y d e h y d ro h o á).
T r ê n cơ sở nhữ ng đ ặ c trưng; á i lự c v à đ iề u k iệ n c ầ n thiết đ ể e n z y m h o ạt đ ộ n g ,...
m à ngư ờ i ta đ iề u k h iể n hoạt đ ộ n g e n z y in th eo c h iề u hướng m o n g m u ố n .

6.4.4. Điều hoà chuỗi phản ứng
Sự tồn tạ i c h u ỗ i p h ả n ứng là d ặ c trưng c ủ a trao d ổ i ch ấ t tru n g g ia n , tro n g đ ó m ộ t
c h ấ t n h ấ t đ ịn h b ị b iế n đ ổ i trải q u a h à n g lo ạ t c á c ch ấ t trung g ia n m ớ i đ ến sản p h ẩ m c u ố i
c ù n g . S ả n p h ẩ m n à y c ó thể là s ả n p h ẩ m c u ố i c ù n g c ủ a c h u ỗ i p h ản ứng thứ n h ất, nhưng
c ũ n g c ó thể là cơ c h ấ t c ủ a c h u ỗ i p h ả n

m ớ i,... v í d ụ như c á c p h ả n ứng c ủ a g ly c o ly s e ,

c h u ỗ i h ô h ấp , c h u trìn h C r e b s , c h u trìn h o m ith in , h à n g loạt c á c p h ả n ứng tổng hợp a x it
a m in .v .v ... Đ ặ c trưng đ ố i vớ i c h u ỗ i p h ản ứng là m ộ t sả n p h ẩ m tru n g g ia n n à o đ ó xuất
h iộ n th ì đ ồ n g thời th o ả m ã n n h iề u ch ứ c n ă n g . S ả n p h ẩ m c ủ a p h ả n ứng thứ n h ất, c ó thể là
c ơ c h ấ t c ủ a p h ả n ú n g thứ h a i tiế p theo. N g o à i tác d ụ n g k iể m tra q u a tố c đ ộ tạo th àn h nó


NẢNG LƯỢNG SINH HỌC

133

b ằn g kết hợp ngược (dương h a y â m ) th ì c ò n ản h hưởng đ ế n b iế n đ ổ i c ủ a n ó q u a m ố i
q u a n hệ với nồ ng đ ộ cơ ch ất.
C h ú n g ta c ó thể m ỏ tả m ộ t c h u ỗ i p h ản ứng m à c ơ ch ấ t s trải q u a c á c bước trung
g ia n k h á c n h au : X | , X 2, x „ ... c u ố i c ù n g b iế n đ ổ i th àn h sản p h ẩ m P ; q u á trìn h n à y được
x ú c tác b ằn g cá c e n z y m : E„, E | , E 2,... v à c h ú n g c ó h ằ n g sô' c ầ n b ằ n g tương ứng là : K „ .
K | , K 2, v .v ..., có thể b iểu d iễ n q u á trìn h đ ó như sau:

s —^

X ,------X3-------------------------------- ► p

K„

K,

K

2

N h ư v ậ y c ó h a i đ iề u k iệ n cơ b ản đ ể c ó thể c h ia c h u ỗ i p h ản ứng trên thành:
a.

Đ iề u k iệ n tĩn h trước k h i thiết lậ p c â n b ầ n g đ ộ n g . Đ ặ c trưng c ủ a đ iề u k iệ n n à y

là : m ộ t đcín v ị thời g ia n , lượng cơ ch ất s m ất đ i b ằn g vớ i lượng sản p h ẩ m p tạo th àn h .
N ồ n g đ ộ sản p h ẩm trung g ia n c ủ a c h u ỗ i trong nhữ ng đ iề u k iệ n n à y là h ằ n g số :

dt

đt

dodô

dt

N h ư v ậ y tố c đ ộ tạo th àn h từng ch ấ t trung g ia n riê n g b iệt b ằn g vớ i tốc đ ộ b iế n đ ổ i
c h u n g c ủ a c h u ỗ i.
T r o n g c á c trường hợp c h u y ể n tiế p thì n ồ n g đ ộ c á c c h ấ t tru n g g ia n k h ô n g c ò n là
h ằ n g số. C á c đ iề u k iệ n hoạt đ ộ n g p h ần ló n là nhữ ng trạng th á i vượt q u á , c á c trạng th á i

này xuất hiện khi có thay đổi các điều kiện bên ngoài hệ thống. Ví dụ thay đổi từ kỵ khí
đ ế n h iế u k h í, p h ạ m v i trao đ ổ i từ cơ ch ấ t n à y đ ến c ơ ch ất k h á c ,v .v ...N h ữ n g n g h iê n cứ u
đ iề u k iộ n tĩn h v à ho ạt đ ộ n g c ó thể b iết k h á i q u át về đ iề u h o à c h u ỗ i p h ả n ứng e n z y m .
Đ iề u đ ó c ó ý n g h ĩa cơ b ả n rất q u a n trọng đ ố i với đ iề u h o à trao đ ổ i ch ấ t.
N h ư trên đ ã đề cậ p , trạng th ái tĩn h (n g ủ n g h ỉ) tốc đ ộ b iế n đ ổ i từng sả n p h ẩ m
tru n g g ia n trong c h u ỗ i g iố n g n h a u ( b ằ n g 0 ). N h ư n g n ồ n g đ ộ c á c sản p h ẩ m trung g ia n
trong c á c đ iề u k iệ n n à y n ó i c h u n g rất k h á c n h a u . C h ú n g c ó m ố i q u a n h ệ vớ i h ằ n g s ố tốc
đ ộ phản ứng p h ân g iả i v à tạo th àn h c h ú n g , n g h ĩa là:

dt
C á c hằng s ố tốc đ ộ

dt

'

'

K ,„ K | , v .v ... là chứ c n ă n g c ủ a h ằ n g s ố p h â n g iả i phứ c hợp

e n z y m -c ơ ch ất k ^2 ■ Đ ó là h à m lượng e n z y m v à h ằ n g s ố M ic h a e lis -M e n t e n c ủ a c h ú n g .
D o đ ó c h ú n g ta c ó thể v iế t trường hợp c h u n g như sau :


134

CÁC NGUYÊN TẮC ĐlÊư HÒA TRAO Đổl CHAT

k

F

Q i o n ê n đ ố i vớ i trạng th á i tĩn h ta c ó :

dS

dX,

dt

dt

dXj

_

dX^

dt

dP
dt

dt

T ừ đ ó rút ra:

K,x, = K2X2

hay

X, :

= K, : K,

N h ư v ậ y , n ồ n g đ ộ sản p h ẩ m trung g ia n được x á c đ ịn h b ằ n g c á c h ằ n g s ố tố c đ ộ
p h â n g iả i v à tạo th àn h c h ú n g . V í d ụ , k h i tố c đ ộ tiê u h a o lớ n là m n ồ n g đ ộ s ả n p h ẩ m tru n g
g ia n th ấp v à ngược lạ i.
K h i c ó nhữ n g b iế n đ ổ i c á c th ô n g s ố từ b ên n g o à i v à o hê th ố n g sẽ là m p h á h u ỷ

trạn g th á i c â n b ằ n g tĩn h (dừ ng) đ ể c h u y ể n th àn h trạng th á i c â n b ằ n g

đ ộ n g , trước k h i

th iế t lẠp m ộ t trạng th á i tĩn h m ó i b ằn g vớ i tốc đ ộ x ẩ y ra b iế n đ ổ i v à lú c đ ó n ồ n g đ ộ c á c
sả n p h ẩ m tru n g g ia n k h ô n g c ò n g iố n g vớ i trạn g th á i trước k h i dừ ng.
b.

P h â n t íc h c á c trạng th á i ho ạt đ ộ n g c ó ý n g h ĩa q u a n trọ n g đ ố i v ớ i x u ấ t h iệ n c á c

p h ả n ứng k iể m tra v à c á c bư ốc g iớ i h ạ n trong c h u ỗ i trao d ổ i ch ấ t. Đ iề u d ó ch ứ n g tỏ tốc
đ ộ c ủ a ch ấ t b ị b iế n đ ổ i p h ụ th u ộ c v à o tố c đ ộ x ẩ y ra c ủ a bư óc c h ậ m n h ấ t tro n g c h u ỗ i trao
đ ổ i ch ấ t. T h e o C r e b s v à K o m b e r g th ì bư óc tố c đ ộ x á c đ ịn h c h u ỗ i trao đ ổ i c h ấ t g ọ i là
"bước p h ả n ú n g " . T h e o ch ứ c n ă n g bước p h ả n ú n g , người ta c ó thể v í n ó như "vật cả n "

của dòng nước c h ả y .
T r o n g c á c d iề u k iệ n tĩn h (d ừ n g ), bưóc p h ả n ứng c ó tố c đ ộ x ẩ y ra ỉà m ộ t h ằ n g số .
K h i c ó ả n h hưởng c á c th ô n g s ố từ n g o à i v à o là m ho ạt h o á bước p h ả n ứng là m c h o tố c đ ộ
c ủ a n ó th a y d ổ i, d o d ó x u ấ t h iệ n m ộ t trạng th á i h o ạt đ ộ n g m ớ i. N h ư v ậ y c ó thể n ố i c á c
n h â n tố là m th a y đ ổ i tố c đ ộ p h ản ú n g c ó ản h hưởng đ ế n d ò n g c h ả y c h u n g c ủ a c h u ỗ i trao
d ổ i ch ấ t.
N ó i c h u n g bước p h ả n ú n g d o c á c e n z y tn d ị lậ p thể x ú c tá c. T r o n g đ iề u k iệ n

vivo,

in-

n ồ n g đ ộ c ơ c h ấ t dưới b ão h o à đ ã c ó ả n h hưởng đ ế n h o ạt đ ộ n g c ủ a c á c e n z y m d ị lậ p

thể v à trong đ iề u k iệ n tĩn h c ủ a tế b ào th ì đ a s ố e n z y m n à y đ ịn h v ị ở p h ầ n đ ầ u c á c c h u ỗ i

p h ả n ứng e n z y m . C á c e n z y m d ị lậ p thể c ả m ứng m ạ n h m ẽ vớ i c á c n h â n tố d ị lậ p thể, v í
d ụ theo n g u y ê n tắc k ế t hợp ngược th ì c á c c h ấ t d ị lậ p thể c ó thể đ iề u h o à hoạt đ ộ n g
e n z y m bước p h ả n ứng (tín h iệ u h o á h ọ c đ ố i v ớ i đ iề u k h iể n h ọ c ). N g ư ờ i ta c h o rằ n g tố c
đ ộ b iế n đ ổ i c h u ỗ i p h ản ứng tu ỳ th u ộ c v à o từng e n z y m x ú c tá c ờ c á c v ị trí bên tro n g
c h u ỗ i, tác d ụ n g m ạ n h nhất k h i m à bước p h ả n ứng đ ịn h v ị d ầ u c h u ỗ i.


NÀNG LƯỢNG SINH HỌC

135

C ơ sở n ào đ ể n h ận biết bưóc p hản ứng ? V ấ n đ ề n à y đ ã trìn h b à y ở trên, n g h ĩa là
k h i thay d ổ i d ò n g c h ả y d ẫ n đến phá vỡ trạng thái tĩn h nh ờ bư ốc p h ả n ứ ng, d o đ ó d ẫ n đ ến
p h á h u ỷ câ n b ằ n g dừ ng. K h i bước p hản ứng c ó hoạt đ ộ n g c a o d ẫ n đ ế n là m g iả m n ồ n g đ ộ
c ơ ch ất m ạ n h m ẽ v à là m tăng n ồ n g đ ộ sản p h ẩ m p h ản ứng. N h ư v ậ y , k h i là m tăng d ò n g
c ơ ch ất b ằn g c h u ỗ i p h ản ứng, tức là đ ã h ạ thấp n ồ n g đ ộ c ơ ch ấ t c ủ a e n z y m bước p h ản
ứng; đ ồ n g thời là m tăng sản p h ẩm c ủ a c h ú n g . C ò n k h i g iả m d ò n g cơ c h ấ t c ó tá c d ụ n g
ngược lạ i. N g h ĩa là lú c đ ó n ồ n g đ ộ cơ ch ấ t bước p h ản ứng được n â n g lê n v à h à m lượng
sả n p h ẩm g iả m d i.
N gư ờ i ta c ó thể b ằn g phương p h á p đ ồ h o ạ d ể g iả i th íc h m ố i q u a n hệ h a i c h iề u
c ủ a m ột bước p h ả n ứng. T r o n g h ìn h vẽ (h ìn h 6 .9 ) ngư òi ta sắ p x ế p thứ tự th àn h p h ần
c h u ỗ i p h ản ứng ( X , , X 2,

c ò n trên trục tung b iể u d iễ n thời g ia n b iế n đ ổ i n ồ n g đ ộ

c ủ a c á c th àn h p h ầ n . T r o n g c á c đ iề u k iệ n tĩn h th ì g iá trị c ủ a m ọ i th àn h p h ầ n đ ề u b ằ n g 0 .
N ế u người ta đưa v à o hộ th ố n g tĩn h , c á c đ iề u k iộ n c ả m ứng k ìm h ã m v à h o ạt h o á ( k ỵ k h í
đ ế n h iế u k h í, th a y đ ổ i n h iệ t đ ộ , th a y đ ổ i p H , v .v ...) th ì dường b iể u d iễ n n ồ n g đ ộ ch ất
trung g ia n th a y đ ổ i tu ỳ th u ộ c thời g ia n . C h o n ê n , trong k h o ả n g thời g ia n tương đ ố i n g ắ n
(v à i g iâ y ) ngư ời ta c ó thể so sá n h n ồ n g đ ộ ch ất tru n g g ia n trư ốc v à sa u k h i x ẩ y ra p h ản

ứng từ trạng th á i tĩn h san g trạng th ái đ ộ n g tại c á c v ị trí bước p h ả n ứng.
N g ư ờ i ta n ố i c á c g iá trị đ ổ i m ớ i vớ i c á c g iá trị b an đ ầ u s o v ó i trụ c h o à n h c o i như
b ằn g 0 th ì sẽ c ó đường b iể u d iễ n như h ìn h 6 .9 . T h e o h ìn h 6 .9 th ì bước p h ả n ứng d iễ n
b iế n từ X

2

đến X v

H ìn h 6 .9 . P h á t h iệ n bư ớ c p h ả n ứ n g c ủ a c h u ỗ i b ằ n g p h ư ơ n g p h á p đ iể m c á t
(cro ss - o v e r).


CÁC NGUYÊN TÁC ĐlỀU HÒA TRAO Đổl CHẤT

136

C á c h trìn h b à y n à y d o B . C h a n c e đ ề n g h ị v à sau đ ó T . A . R a p o p o rt v à R .
H e in n ic k b ổ su n g th ê m . N g ư ờ i ta g ọ i đ ó là “ phưctng p h áp đ iể m cắ t” . Phư ơ ng p h á p này
đ ã được n ó i tới tro n g m ố i q u a n hệ vớ i đ iề u h o à c h u ỗ i h ô hấp.

6.4.5. Biểu đồ năng lượng của chuỗi trao đổi chất
Q u a c á c c h u ỗ i h ô h ấ p v à g ly c o iy s e , n ó i c h u n g giữ a c h ấ t th am g ia p h ả n ứng với
sản Ị ^ ẩ m c u ố i c ù n g c ủ a p h ả n ứng ià k h á c n h a u v ề m ứ c n ă n g lượng tự d o v à k h á c với
m ứ c n ă n g lượng tự d o c ủ a c á c sản p h ẩ m tru n g g ia n . N ă n g lượng được g iả i p h ó n g từng
p h ần theo thứ b ậ c c ủ a p h ản ứng. T r o n g đ ó , bước n h ả y n ã n g lượng lớn h a y n h ỏ tu ỳ th u ộ c
v à o b ản c h ấ t h o á h ọ c c ủ a từng tiể u p h ầ n , trìn h tự th am g ia p h ả n ứng tro n g c h u ỗ i. Đ ể
h iể u biết v ấ n đ ề n à y m ộ t c á c h tường tận, người ta c ó thể so s á n h c h u ỗ i trao đ ổ i c h ấ t vớ i
m ộ t q u á trìn h d ò n g c h ả y (B u e ie r v à R u s s m a n n ). T h e o q u i Itiật d ò n g c h ả y , k h i c ó m ộ t vật
c ả n d ò n g nước c h ả y sẽ d ẫ n đ ế n là m nước trào q u a v à tạo ra m ộ t th ế n ã n g ở n g a y c h â n

vật c ả n . N h ư v ậ y ỉự c c ủ a d ò n g nư óc c ó thể th a y đ ổ i n h ờ Iđ iả n ă n g đ ó n g m ở c ủ a v ậ t c ả n .
T h e o n g u y ê n lý c ủ a nhiộ t đ ộ n g h ọ c th ì b ên tro n g c h u ỗ i p h ả n ứng c ó h a i k iể u p h ả n ứng
c h ủ y ế u . M ộ t k iể u tương 'ứng v ớ i k h o ả n g đ ọ n g lạ i c ủ a d ò n g c h ả y , n ó c ó thể là bước cắ t
th u ận n g h ịc h . C ò n k iể ù k ia tương ứng vớ i k h b ả n g thấp v à n ó ở bư óc c ắ t k h ô n g th u ận
n g h ịc h c ủ a c h u ỗ i traò đ ổ i ch ấ t (h ìn h 6 .1 0 )

(ỉình 6 .10. Thiết đồ năng lượng chuỗi trao đổi chất:
Đ ư ờ n g liê n tụ c b iể u h iệ n k h i d ò n g cơ ch ấ t c h ả y q u a m ạ n h hơn
đường g iá n đ o ạ n . K h i tăng d ò n g cơ ch ấ t th ì k h o ả n g ứ đ ọ n g c ó
sự k h á c n h a u lớn v ề m ặt n ă n g lượng tự d o , c ò n g iả m d ò n g cơ
chất

ở

k h o ả n g thấp th ì c ó b iể u h iệ n h o à n to àn k h á c .


NÀNG LƯỢNCỈ SÍNH HỌC

137

T h ò n g thường m ột c h u ỗ i trao đ ổ i ch ất c ó n h iề u k h ả n ă n g k iể m tra, c ó thể chứ ng
m in h b ằng n h iều p h ản ứng g iớ i h ạ n . V í d ụ như p h ân g iả i g ly c o g e n , đường p h â n ,
g ly c o g e n ho á, v .v ... T u y tồn tại n h iề u bước p h ản ứng giớ i h ạ n , như n g k h ô n g p h ả i tất c ả
c á c bước đều có tác d ụ n g đ iề u h o à như n h a u đ ố i vớ i d ò n g c ơ ch ất.
Đ ể phỏng đ o á n lá c d ụ n g k iể m tra m ột bưóc p h ản ứng n h ấ t đ ịn h , đ a n g tồn tại
n h iề u bước k iể m tra, người ta c ó thể c ã n cứ v à o c á c th ô n g s ố sau :
1 . Đ ịn h v ị c ủ a bước p h ản ứng trong c h u ỗ i: c á c bước n ằ m đ ầ u c h u ỗ i n ó i c h u n g c ó
ý n g h ĩa hơn là cá c bước n ằm giữ a h a y c u ố i c h u ỗ i.
2 . M ứ c độ bất thuận n g h ịc h c ù a p h ản ứng trong c h u ỗ i.

3 . C á c tín h iệ u h o á h ọ c bên n g o à i (từ c á c co n đường trao đ ổ i ch ấ t k h á c ) h a y c á c
tín h iệ u hoá học bên trong (n g a y trong lò n g c ủ a c h u ỗ i đ a n g d iễ n ra ) là nhữ n g c h ấ t tác
d ụ n g d ị lậ p thể có ản h hưởng vớ i e n z y m x ú c tác p h ản ứng.
V í d ụ , p h o sp h o íru cto k in a se p h ố i hợp vớ i h e x o k in a s e là bước q u y ế t đ ịn h c h ín h
trong

chuỗi

đường

p hân,

như ng

trong

hệ

th ố n g

dường

phân

này

còn

có

thể

g ly c e ra ld e h y t-3 -p h o s p h a t-d e h y d ro g e n a s e v à 3 -p h o s p h o g ly c e r a tk in a s e , c ũ n g nh ư p y r u v a tk in a se đ ều c ó tác d ụ n g đ iề u h o à, như ng tác d ụ n g k é m hơ n. C ụ thể, p y ru v a tk in a s e c ố
chứ c n ăn g đ iể u h o à k h i p h ố i hợp giữ a g ly c o g e n h o á v à đường p h ân .



Chương

7

ĐÍÉU HOÀ CÁC QUÁ TRÌNH
TRAO ĐỔI CHẤT TẾ BÀO
7 .1 . Đ I Ể U H O À P H Â N G I Ả I H Y D R A T C A R B O N
7 .1 .1 .

Đ iề u h o à p h á n g iả i g lu c o s e v à cơ c h ê h iệ u q u ả P a s t e u r
C á c cơ c h ế k iê m tra n h iề u m ặt c ó tác d ụ n g đ ố i với đường p h ân đ ã n g h iê n cứu

n h iề u . T ro n g phần n à y , c h ú n g ta c h ỉ đề c ậ p đ ến k h ả năng đ iề u h o à p h ân g iả i và tổng hợp
g ly c o g e n . Đ ặ c biệt c h ú n g ta c ầ n q u a n tâm đến v iệ c đ iều hoà d ò n g đường p h â n , c ũ n g như
m ố i q u an hệ giữa p h ân g iá i g lu c o se vớ i p h o sp h o ry l hoá o x y h o á. T ố c đ ộ đường phân
trong lừng lo ạ i tế bào phụ th u ộ c v à o c á c đ iề u k iệ n m à tế bào đ a n g tồn tại (h iế u k h í, k ỵ
k h í, ngủ n g h ỉ, hoạt đ ộ n g ,v -v ...).
Bước tòc đ ộ g iớ i hạn tiêu h ao g lu c o se ở cơ là k h ả n ãn g v ậ n c h u y ể n đường n ày
q u a m à n g tế bào. K h i là m tăng tốc đ ộ v ậ n c h u y ể n (v í dụ k h i thêm in s u lin h a y hoạt hoá
h o ặ c thiếu o x y ) thì d ẫn đến là m tăng tiêu h ao g lu co se . M ặ t k h á c , người ta th ấy ở gan,
k h ố i u h a y hồ ng c ầ u người, tốc đ ộ v ận ch u y ể n g lu co se q u a m à n g x ẩ y ra k h á m ạ n h , v ì
c á c cơ q u a n n à y k h ô n g c ó chứ c n ân g k iể m tra tiêu hao g lu co se .
C á c e n z y m nhât đ ịn h c ủ a q u á trìn h đường phân cũ n g được tăng cường chứ c n ăn g

k iê m tra trong q u á trìn h p h ân g iả i g lu c o se , k h i tốc độ vận c h u y ể n g lu c o s e q u a m à n g tế
b ào cơ tăng lên. T r o n g đ ó h e x o k in a s e c ó v a i trò đ ặ c biệt q u an trọ n g là k iể m tra n ồ n g độ
g lu c o s e -6 -p h o s p h a t. Bởi v ì, g lu c o s e -6 -p h o s p h a t c ó lá c d ụ n g kết hợp ngược âm đ ố i với
h e x o k in a s e . N h ư \ ’ậ v , vấn đề đặt ra là c á c n h ân tố ảnh hưởng đ ến h à m lượng g lu c o s e -6 phosphat như thê n à o ? N gư ờ i ta c h o rằng, trong số c á c n h â n tố đ ó thì p h o sp h o ừ u c to k in a s e có ý n g h ĩa ch ủ đ ạo nhất. B ở i v ì dựa vào hoạt đ ộ n g tương đ ố i c ủ a e n z y m
n à y , c h o phép x á c đ ịn h được h à m lượng g lu c o se -6 -p h o s p h a t trong c á c tế b ào v à m ô . K h i
e n z y m n à y hoạt đ ộ n g m ạ n h sẽ là m g iả m h àm lượng g lu c o s e -6 -p h o s p h a t v à ngược lạ i nó
hoạt đ ộ n g v ế u thì h àm lượng g lu c o s e -6 -p h o s p h a t

Vàng

lẻn. B ằ n g nhữ ng b ằn g ch ứ n g như

v ậ y chứ ng tỏ p h o sp h o íì u cto k in a se c ó tác d ụ n g k iể m tra phản ứng h e x o k in a s e .


ĐIỀU HÒA CÁC QUÁ TRÌNH TRAO Đ ổl CHAT TẾ BÀO

140

P h o s p h o íru c to k in a s e là e n z y m d ị lậ p thể, c ó ch ứ c n à n g k iể m tra q u a n trọ n g . N ó
c ó c á c trung tâm liê n kết k h á c n h a u đ ố i vớ i h à n g lo ạt ch ấ t tác d ụ n g . E n z y m n à y b ị k ìm
h ã m m ạ n h b ằ n g A T P v à citra t, như ng lạ i được h o ạt h o á b ằn g A M P , A D P , p h o sp h a t vô
cơ , fru c to s e -6 -p h o s p h a t, fr u c t o s e -l,6 -d ip h o s p h a t v à a d e n o s in -3 ’ , 5 ’ -iĩio n o p h o s p h a t. C á c
ch ấ t ho ạt h o á c ó thể là m g iả m từng p h ầ n h a y h o à n to àn k h ả n ăn g k ìm h ã m c ủ a A T P đ ố i
vớ i e n z y m . N h ữ n g ản h hư ỏng n h iề u m ặ t c ủ a ch ấ t c h u y ể n h o á nh ư v ậ y c ó tá c d ụ n g ch ủ
y ế u đ ố i vớ i đ á n h g iá ch ứ c n ăn g k iể m tra c ủ a p h o sp h o ữ u c to k in a s e . E n z y m n à y đ ịn h v ị
n g a y p h ầ n đ ầ u c h u ỗ i đường p hân v à v ớ i tín h ch ấ t bất th u ận n g h ịc h c ủ a p h ả n ứng d o
e n z y m x ú c tá c m à n ó c ó n h iề u đ ặ c trưng d ị lậ p thể q u a n trọ n g , v ì th ế n ó được c o i là
e n z y m q u a n trọng nhất c ủ a q u á trìn h đường p h â n (h ìn h 7 . 1 ) . C ơ ch ấ t v à c h ấ t hoạt h o á
c ủ a e n z y m là fru c to s e -6 -p h o s p h a t c ó q u a n h ệ v ó i g lu c o s e -6 -p h o s p h a t n h ờ p h ả n ứng c ủ a

g lu c o s e -6 -p h o s p h a t-is o m e r a s e

th u ậ n

n g h ịc h ,

do

h e x o k in a s e

xúc

tá c .

Cho

nên

h e x o k in a s e c ù n g v ớ i p h o s p h o ín ic to k in a s e p h ố i hợp th àn h m ộ t hộ th ố n g c ó ch ứ c n â n g
đ iẻ u h o à đường p h â n .
E n z y m d ị lậ p thể k h á c c ủ a đường p h ân là p y ru v a tk in a s e , e n z y m n à y c ó h a i k iể u
c h ín h là k iể u g a n L (le v e rty p ) v à k iể u cơ M (m u s c e lty p ). C h ú n g k h á c n h a u b ằ n g đ ặ c
trưng d ị lậ p th ể, tro n g đ ó k iể u L c ó ý n g h ĩa đ iề u h o à ló n hcm.

0
AMP
I

0
1

1

1
1
1

Glucose

au c-6 -p

0
Fmc-6-P

Oxalacetat

Q

■>
“r *
Fruc-1,6-P

PEP

Pyruvat

ìi

T*

i

o

Lactat
ATP

0 Ì

Acetyl-CoA

.Ù .

Hình 7.1. Mô hình điều hoà dị lập thể trong trao đổi glucose:
____ : tín h iệ u hoá học làm b iế n đ ổ i ho ạt tín h xúc tác e n z y m ;
---------- :

ảnh hưởng d ị lậ p thể ( + ) ; tác d ụ n g dư ơng, ( -) : k ìm h ã m .

T ố c đ ộ tổ n g hợp c ủ a e n z y m được k iể m tra b ằn g m ố i q u a n h ệ v ó i ch ấ t d in h
dưỡng. C ụ thể, e n z y n i được tổng hợp m ạ n h , k h i ch ấ t d in h dưỡng c ó n h iề u h y d ra tc a rb o n ,


NẢNG LƯỢNG SINH HỌC

141

c ò n ch ất d in h dưỡng g iầ u p ro tein lạ i c ó tác d ụ n g k ìm h â m tổng hợp e n z y m n à y . B ên
c ạ n h đó, h o rm o n in s u lin được c o i là ch ất tác d ụ n g c ả m ứng v à là m tăn g cường tổng hợp
k iê u L .
L -P y r u v a lk in a s e c ó tác d ụ n g k iể m tra ngược y ế u hơn là c á c e n z y m g ly c o g e n h o á
k h á c . Dư ới tác d ụ n g c ủ a p y ru v a tk in a s e thì p y ru v at b iế n đ ổ i th àn h p h o sp h o e n o lp y ru v a t

q u a o x a la ce ta t. Đ ư ờ n g co n g tốc đ ộ phụ th u ộ c n ồ n g đ ộ p h o sp h o e n o lp y ru v a t c ủ a
p y ru v a tk in a s e d iễ n ra ih e o d ạ n g s ig m a và e n z y m n à y được hoạt h o á đ ặ c h iệ u v à rất
m ạnh

b ằn g ír u c t o s e -1 ,6 -d ip h o s p h a t, đ ồ n g thời bị k ìm

hãm

b ằn g A T P , a la n in v à

p h e n y la la n in .
P y ru v a tk in a s e k iể u L

c ó v a i trò q u a n trọng tro n g đ iể u h o à p h ố i hợp giữ a

g ly c o g e n với g lu c o s e h o á. N g h ĩa là k h i nó b ị k ìm h ã m m ạ n h th ì x ẩ y ra g lu c o se h o á ở
gan m ạ n h , iú c đ ó từ p h o sp h o p y ru v a t k h ô n g tạo th àn h p y ru v a t m à lạ i đưa v à o c o n đường
theo hướng g ly c o g e n hoá.
G ầ n đ â y , ngư ờ i ta đ ã phát h iê n cơ c h ế đ iề u h o à p h â n g iả i h y d ra tc a rb o n d o hộ
thống e n z y m đ ặ c b iệt c h ịu trá ch n h iệ m , đ ó là phức hợp p y ru v a td e h y d ro g e n a se . H ệ thống
e n z y m n à y x ú c tác q u á trìn h d e c a rb o x y l h o á o x y h o á a x it p y r u v ic p h ụ th u ộ c v à o C o A S H
v à N A D ^ . Phứ c hợp n à y c ó trọng lượng p hân tử k h o ả n g v à i triộ u , v à b ị k ìm h ã m m ạ n h
bằng a c e t y l-C o A v à A T P . N g u y ê n n h ân k ìm h ăm b ằn g A T P là d o p h o sp h o ry l h o á phức
hợp e n z y m b ằn g m ộ t p ro te in k in a se , n ó là m ột trong nhữ ng th àn h p h ầ n c ủ a phứ c hợp
e n z y m đ a chứ c n ă n g n à y (m u lty e n z y m ). T ro n g phức h ọ p p y ru v a td e h y d ro g e n a se c ó chứ a

một thành phần lương tự phosphalase, có khả năng dephosphoryl đé tái tạo hoạt tính
d e h y d ro g e n a se h o à n toàn.
R io s p h o r y l h o á theo k iể u p ro te in k in a se x ẩ y ra ở g ố c s e rin c ủ a tiể u p hần
d e h y d ro g e n a se tro n g phức hợp đ a ch ứ c n ăn g . P h ả n ứng p h o sp h o ry l h o á b ị k ìm h â m bằn g

p y ru v a t và A D P , c ó lẽ ở g a n , thận v à cơ tim thực h iệ n hoạt h o á th u ận n g h ịc h d e c a rb o x y l
h o á o x y h o á v à g lu c o s e h o á , n g h ĩa là c á c n h ân tô' c ó tác d ụ n g g ỉu c o s e h o á k ìm h ã m hoạt
đ ộ n g p y ru v a td e h y d ro g e n a se v à ngược iạ i.
P h o sp h at v ô cơ , A D P , A T P c ũ n g như N A D * v à N A D H là nhữ ng ch ất k iể m tra
c h u y ể n h o á q u a n trọ n g c ủ a đường p h ân . N g o à i c á c ch ất n à y th ì c ò n n h iề u n h â n tố d ị lậ p
thể k h á c , c h ím g là c á c th àn h p h ần p h ản ứng c ó tác d ụ n g p h ố i hợp v à x ú c tác c ủ a đường
p h ân . Q iú n g c ó v a i trò đ ạ c biệt q u a n trọng trong v iệ c kết hợ p giữ a đường p h ân v ớ i h ô
h ấp v à có v a i trò đ ố i vớ i d u y trì trạng th ái h iệ u q u ả P aste u r, d o đ ó c h ịu trách n h iệ m vớ i
k ìm h ãm d ò n g cơ c h ấ t đường p h ân n h ờ hô hấp. N g u y ê n n h â n c ủ a sự p h ụ th u ộ c n à y là d o
c ạ n h tranh giữ a h ò h ấ p v à p y ru v at vớ i ch ất k h ử N A D H , d o đ ó x u ấ t h iệ n h iệ u q u ả


142

ĐIỀU HÒA CÁC QUÁ TRÌNH TRAO Đổl CHAT TÊ' BÀO

P a ste u r. Đ iề u đ ó đ ã được chứ ng m in h b ằn g n h iề u cơ sờ k h á c n h a u . H iệ u q u ả Pasteur
được g iả i th íc h k h ô n g c h ỉ d o tiêu h ao n h iề u g lu c o s e trong c á c đ iề u k iệ n k ỵ k h í, m à cò n
c ả k ìm h ã m h iộ u q u ả P aste u r bằn g c á c ch ất lo ạ i trừ kết hợp p h o sp h o ry l h o á . C á c kết quả
th u được th ấ y rất rõ c ó m ố i q u a n hộ c ạ n h tranh giữ a hô h ấ p v à lê n m e n x ẩ y ra q u a c á c
p y r id in n u c le o t id v à đ ẩ y hộ thố ng A T P - A D P , c ũ n g như p h o sp h at vô cơ v à o c u ộ c .
H à m lượng pho sphat v ô cơ ở tế b ào n ấ m m e n trong đ iề u k iệ n h iế u k h í th ấp hon
tro n g đ iề u k iệ n k ỵ k h í. L y n e n đ ã rút ra kết lu ậ n p ho sp hat v ô cơ là n h ân tô' k iể m tra ièn
m e n h iế u k h í.
nhờ

phản

về

ứng

s a u , tác g iả c h o rằn g tro n g c á c đ iề u k iệ n h iế u k h í th ì o rth o p h o sp h at
oxy

hoá

tiê u

hao

p h o sp h at

của

lê n

m en

(p h ả n

ứng

3-

p h o sp h o g ly c e ra ld e h y td e h y d ro g e n a s e ) đ ể th am g ia v à o c o n đường trao đ ổ i ch ấ t n ày .
T h e o th u y ế t n à y , tro ng đ iề u k iệ n h iế u k h í tiê u h a o n h iề u p h o sp h at là d o tro ng c h u ỗ i hô
h ấ p đ ã c h iế m p ho sp hat c ủ a c h u ỗ i đưòfng p h ân đê p h o sp h o ry l h o á o x y h o á , d o đ ó c ó tác
d ụ n g k iể m tra đ ố i vớ i q u á trìn h đường p h ân . B ê n c ạ n h đ ó , p h ạm v i lên m e n c ũ n g cần
b à n đ ế n v a i trò c ủ a A D R M ặ c d ù đ ến n a y đ ã c ó n h iề u n g h iê n cứ u đ ề c ậ p đ ế n cơ c h ế

k iể m tra lê n m e n c ủ a A D P và đ ã chứ ng m in h rõ ràn g v a i trò c ủ a A D P tro n g c á c tế bào
n g u y ê n v ẹ n , so n g c ũ n g c ò n n h iề u v ấn đề ch ư a sá n g tỏ m à c ò n tiế p tục n g h iê n cứ u sâu
rộ n g hcm.
N g ư ờ i ta c h o rằn g c ó thể h ạn c h ế lê n m e n b ằn g o rth o p h o sp h at Iro n g đ iề u k iệ n
h iế u k h í. T r o n g đ iề u k iệ n đ ó là m x u ấ t h iệ n h iệ u q u ả “ H a r d e n -Y o u n g ” , n g h ĩa là d ổ n
o rth o p h o sp h a t v à o f r u c to s e -l,6 -d ip h o s p h a t . N h ư n g thực tế, người ta lạ i th ấ y c ó h iệ n
tượng ngược lạ i. B ở i v ì, n h iề u tế bào tro n g đ iề u k iê n h iế u k h í h à m lượng ổ n đ ịn h c ủ a
f r u c t o s e -l,6 -d ip h o s p h a t lạ i thấp hơn k ỵ k h í. N h ư v ậ y “th u yế t p h o sp h a t” n à y k h ô n g g iả i
t h íc h th o ả m ã n h iệ u q u ả P asteur.
N g ư ờ i ta c ũ n g thử n g h iệ m th ấy rằng tiêu h ao g lu c o s e trong c á c đ iề u k iệ n h iế u
k h í th ấp hcm k ỵ k h í v à c h o rằn g c ó lẽ d o A T P bị n g ăn c á c h v à trong đ iề u k iệ n h iế u k h í
th ì c h ủ y ế u A T P k h u trú trong ty thể. T h e o th u yế t n à y th ì A T P từ ty thể đ i ra tế b ào ch ất
c h ậ m , n ê n e n z y m h e x o k in a s e k h ô n g thể sử d ụ n g đ ể p h o sp h o ry l h o á g lu c o s e . “ Sự n g ă n
c á c h ” A T P n à y tạo đ iề u k iệ n là m g iả m k h ả n ă n g p h o sp h o ry l h o á g lu c o s e tro n g đ iề u k iệ n
h iế u k h í. N g ư ợ c lạ i đ ố i vớ i n ấ m m e n v à lế b ào k h ố i u th ì n g ă n c á c h A T P là c á c n h â n tố
là m g iả m tín h th ấm c ủ a m à n g ty thể đ ố i vớ i A T P , như ng c ó thể theo th u y ế t n à y th ì h à n g
lo ạ t c á c n h â n tô' c ó lẽ đ ã b ị m ất đ i. C á c kết q u ả th í n g h iệ m c h o th ấ y rằ n g A T P tạo thành
tro n g ty thể, c ò n h e x o k in a s e lạ i k h u trú ở tế b ào ch ấ t, c h o n ê n k h ô n g thể sử d ụ n g đ ể
p h o s p h o ry l h o á g lu c o se . D o đ ó c ó thể g iả i th íc h trong đ iề u k iệ n h iế u k h í là m g iả m tiê u
h a o g lu c o s e , k h ô n g p h ả i là n g u y ê n n h â n đ íc h thực, m à c ó thể d o A T P ty thê k ìm h ã m
p h ả n ứng p h o sp h o íru c to k in a s e .


NÀNG LƯỢNG SINH HỌC

143

H iệ n n a y , người ta thống nhất là trạng thái tồn tại h iệ u q u ả P a ste u r c ó liê n q u a n
ch ặt ch ẽ với tính ch ât d ị lập thể và chứ c n ăn g k iể m tra c ủ a p h o s p h o íru c to k in a s e . T r o n g
c á c đ iề u k iệ n h o ại đ ộ n g từ h iế u k h í san g k ỵ k h í v à ngược lạ i, người ta đ ã ch ứ n g m in h

p h o s p h o lru c to k in a s c là c n z y m bước phản ứng c ủ a đưèmg p h â n . E n z y m n à y c ù n g vớ i
h c x o k in a s e là m th à n h m ột đơn v ị chứ c n ăn g , trong đ ó hệ thống A T P - A D P - A M P c ó ý
n g h ĩa lớn la o trong m ố i q u an hệ với fru c to s e -6 -p h o s p h a t c ó tác d ụ n g phứ c tạp đ ế n
cnzynn là m c h o kết q u ả đ ộ n g h ọ c đ ặ c biệt q u an trọng. D o đ ặ c trưng c ủ a hệ th ố n g
a d e n y lic đ ố i với h ố h âp v à đường p hân

trở thành hệ th ố n g trung tâm đ iề u h o à trao đ ổ i

ch ất tế bào v à c h i p h ố i c ả h ai co n đưèmg hò h ấp v à đường p h ân . Đ iề u đ ó ch ứ n g m in h
rằng k h ô n g c h ỉ A M P m à c ả A D P h a y A T P riê n g biệt c ũ n g c ó thể đ iề u h o à c ó h iệ u q u ả
n h iề u m ật. C h o n ê n c ó thê h iể u v ì sao trao đ ổ i ch ấ t tế b ào lạ i p hụ th u ộ c v à o hệ th ố n g
a d e n y lic . N gư ờ i ta đ ã biết c h i tiết và đ ầ y đ ủ vể c ấ u trúc v à k h ả n ãn g tác d ụ n g phứ c tạp
c ủ a hệ th ố n g a d e n y lic , c h o n ên c ó thể g iả i th ích c ó cơ sở về k h ả n ă n g “ t íc h iu ỹ n ă n g
lượ ng” c ủ a tế bào.

7.1.2, Hiệu quả Crabtree
T r a o đ ổ i h y d ra tca rb o n và hô h ấp c ủ a k h ố i u b iể u h iệ n q u a h a i h ìn h thức q u a n
trọng như sa u :
a. N h ờ đường p hân h iế u k h í ca o .
b. N h ờ k ìm h ãm h ô hấp, sau k h i thêm g lu c o s e v à o c á c tế b à o k h ố i u c ũ n g c ó h iệ u
q u ả P a ste u r như m ọ i tế bào k h á c . N h ư n g hô h ấp c ó thể x ẩ y ra k h ô n g triệt đ ể như đ a s ố tế
b ào đ ộ n g vật b ìn h thường m à nó dừ ng lạ i ớ m ức tạo thành lactat (x e m q u á trìn h đường
p h ân ở m ỏ đ ộ n g vật).
H iệ u q u ả ngược lạ i, sau k h i thêm g lu c o se v à o tế b ào k h ố i u d ẫ n đ ế n k ìm h ã m h ô
h ấ p tĩn h (tro n g đ iề u k iệ n n g ủ n g h ỉ) g ọ i là h iệ u q u ả “C ra b tre e ” . H iệ u q u ả n à y lầ n đ ầ u tiê n
được n g h iê n cứu ở c á c tế b ao k h ố i u đ ã p hân lậ p th ì th ấ y g lu c o s e c ó k h ả n ă n g k ìm h ã m
h õ h ấp tới k h o ả n g 5 0 % , cò n c á c tế bào k h á c như đ ả o thượng th ận v à thể lưới ( R e t in a ) th ì
c ó h iệ u q u á C ra b tre e k h o ả n g 2 0 % và ở K c t ic u lo c y t e k h o ả n g 1 0 % h ô h ấ p b ị k ìm h ã m
b ằn g g lu c o s e .
Q iấ t lo ạ i ti ừ kêì hợp p h o sp h o ry l hoá c h u ỗ i h ô h ấ p c ó k h ả n ăn g lo ạ i trừ h iệ u q u ả

C ra b tre e . N h ư v ặ y rõ r.':ng c ó m ố i ỉiê n q u a n ch ặt ch ẽ về n ă n g lượng g iữ a h ô h ấ p vớ i
đường p h ân ở c á c tế bào k h ố i u (u n g thư). Q u a đ ó , c ũ n g ch ứ n g tỏ c ó sự g iố n g n h a u về cơ
c h ế c ủ a h iệ u q u ả P a ste u r với h iệ u q u ả C ra b tre e . M ố i liê n q u a n n ă n g lượng g iữ a h ô h ấ p
v ớ i đườiig phân ở tế bào k h ố i u chứ n g tó k h i c ó m ặt g lu c o s e , lú c đ ó là m m ấ t k h ả n ă n g
tổng hợp A T P , d o k ìm h ã m hô h ấp tương ứng v à đường p h â n h iế u k h í. M ố i liê n q ú a n