ACID NULEIC

CHUYÊN ĐỀ
Các phản ứng trao đổi của hệ thống adenilic.

HV: ÑAËNG DIEÃM THY
Đặc trưng cấu trúc và tính chất của
hệ thống adenylic
Vaøo naêm 1847, Liebig, ngöôøi ñaàu tieân phaùt hieän axít inosinic - Thôøi ñieåm ñoù cuõng laø daáu hieäu môû ñaàu cho vieäc nghieân cöùu nucleonid. Moät traêm naêm sau - naêm 1940, ngöôøi ta tìm ñöôïc khoaûng 10 lieân keát thuoäc nhoùm nucleonid naøy, nhöng chæ khoaûng thôøi gian hai möôi naêm tieáp theo theo - naêm 1960, ngöôøi ta ñaõ bieát ñeán treân 150 nucleonid khaùc nhau.
Từ những sự kiện này là cơ sở để đẩy mạnh việc nghiên cứu chính xác những phản ứng tế bào quan trọng nhất, như vòng tuần hoàn hydro (Warburg), vòng tuần hoàn phosphat (Engelhardt ) và nhóm điện thế ( Lipmann).
Nucleonid tự do có chức năng cực kỳ quan trọng trong trao đổi chất tế bào, đặc biệt chúng tham gia vào các quá trình vận chuyển các nhóm khác nhau.
Dựa vào kết quả xác định hàm lượng thay đổi của các nucleonid mà người ta có thể phán đoán được đặc trưng chuyển hoá của mô hay cơ quan. Cho nên có thể coi nucleonid là chỉ thị của sự chuyển hoá tế bào.
Số các nucleonid đã phát hiện thì trong tế bào có nhiều nucleonid- polyphosphat.
Ví dụ như các liên kết giữa adenosin với ortophosphat là AMP, ADP và ATP.

Lohmann là người đầu tiên đã phát hiện và phân lập được ATP cách đây hơn 50 năm. Sau đó Marrion cũng đã phân lập được adenosin - 5`-tetraphosphat và adenosin - 5`- pentaphosphat là những dẫn xuất từ ATP.Tuy nhiên, các tetra- và pentaphosphat chưa được chứng minh về ý nghĩa sinh học của chúng một cách chắc chắn.


Adenosin-5’-triphosphat (ATP) là một mononucleotid gồm có :
Bazơ chứa nitơ trong adenin,
Đường pentose là ribose và
Ba gốc phosphat nằm thẳng hàng với nhau.
Theo Lohman liên kết giữa các gốc phosphat là liên kết kiểu anhyđrid.


Adenosin - 5`- Monophosphat = AMP

Adenosin - 5`- Diphosphat = ADP
Adenosin - 5`- Triphosphat = ATP



CAÁU TRUÙC CUÛA HEÄ THOÁNG ADENYLIC

Những chất tương tự ATP, nhất là các adeosinnucleotid mà có một gốc phosphat là adenosin-5’- monophosphat (AMP) và có hai gốc phosphat là adenosin-5’- monophosphat (ADP) Các liên kết này có ý nghĩa tổng hợp trong việc vận chuyển nhóm và năng lượng, đặc biệt là vận chuyển kết hợp giữa phosphat với năng lượng.
Theo Lipmann cho rằng năng lượng giải phóng khi thuỷ phân hai liên kết O ~ P trong phân tử ATP khoảng 8-12 kcal/mol còn liên kết estephosphat chỉ khoảng 1-3 kcal/mol.
Ông đề nghị dùng ký hiệu dấu (~ ) để phân biệt với những liên kết không giàu năng lượng khác. giàu năng lượng). Ngày nay người ta quy định những liên kết khi thuỷ phân cho từ 5 kcal/mol trở đi đều gọi là liên kết cao năng.Theo những nghiên cứu đầy đủ và chính xác cho thấy rằng trong các điều kiện và tiêu chuẩn mà ở pH = 7,0 thì thuỷ phân liên kết phosphat cuối cùng của ATP là 7,80kcal/mol và liên kết phosphat ở giữa là 9,40 kcal/mol. Kết quả đó có thấp hơn so với mức năng lượng sử dụng để tổng hợp chúng.

Tất nhiên trong hệ thống sinh học ít có thể đạt được các điều kiện tiêu chuẩn, nên kết quả thu được có khác (ví dụ điều kiện sinh lý thì ATP/ADP = 100 : 1 và H3P04 là 0,001M), do đó khi thuỷ phân ATP thành ADP và H3P04 giải phóng tới 14,60 kcal/mol mà đã đề cập ở trên.
Ngoài ra khi đi sâu vào nghiên cứu còn cho thấy rằng: sở dĩ hàm lượng năng lượng của những liên kết phosphat cao năng trong ATP là do hai nguyên tử oxy của -và -phosphat tích điện dương lớn hơn là nguyên tử oxy của  - phosphat (theo B. và A. Pullmann)

Kiến trúc điện tích trên phân tử ATP
Như ta đã thấy ở trên, trong phân tử ATP có hai liên kết cao năng (hai liên kết phosphoanhydrid) và có khả năng tham gia vào các phản ứng chuyển nhóm. ATP có thể tham gia và các phản ứng khác nhau, chuyển năng lượng cho phân tử khác và nạp cho phân tử ấy năng lượng cần thiết để thực hiện các phản ứng tiếp theo. Tuỳ thuộc vào liên kết nào trong số các liên kết cao năng của ATP bị đứt mà phản ứng có thể xảy ra 4 khả năng sau:

Chuyển nhóm phosphat cuối cùng tạo ra ADP
 Chuyển hai nhóm phosphat cuối cùng tạo ra AMP
 Chuyển AMP và thải ra pirophosphat
 Chuyển adenozin và tạo pirophosphat từ hai nhóm phosphat cuối và phosphat vô cơ từ nhóm phosphat thứ ba của ATP.PPP
Hình: Khả năng tham gia phản ứng của ATP
(theo S.M. Rapoport-1969)
Những khả năng phản ứng của ATP có thể
tóm tắt bằng sơ đồ sau:
Phản ứng loại một thường xảy ra nhất. Nếu nhóm phosphat cuối cùng được chuyển tới nước thì phản ứng sẽ dẫn đến thuỷ phân nhóm phosphat cuối ấy. Quá trình chuyển nhóm phosphat tới nước là phản ứng phát nhiệt do đó thường được cặp đôi với phản ứng thu nhiệt. Nhóm phosphat cuối này có thể chuyển từ ATP sang nhóm hydroxyl , sang nhóm cacboxyl hoặc sang nhóm amid . Chất xúc tác của tất cả phản ứng chuyển này là kinaza.

Thường trong các quá trình trao đổi chất, các chất dinh dưỡng sẽ được chuyển hoá thông qua biến đổi chúng thành dạng phosphoryl hoá. Năng lượng tự do giải phóng ra khi thuỷ phân ATP thành ADP và phosphat vô cơ được dùng để phosphoryl hoá cơ chất.
Phản ứng loại hai chuyển nhóm pirophosphat rất ít gặp so với phản ứng loại một.

Phản ứng loại thứ ba chuyển AMP sang phân tử khác và giải phóng phosphat rất thường gặp. Kết quả của phản ứng là tạo thành hợp chất (R-AMP) có khả năng chuyển nhóm. Loại phản ứng này xảy ra khi hoạt hoá các axit amin để chuẩn bị tổng hợp protein cũng như khi hoạt hoá các axit béo để chuẩn bị tham gia trao đổi chất.
Nói cách khác, năng lượng tự do của ATP có thể được sử dụng để sinh tổng hợp ra các nucleosid và desoxynucleosidtriphosphat khác nhau

CÁC PHẢN ỨNG TRAO ĐỔI CỦA HỆ THỐNG ADENYLIC
Qua nghiên cứu các phản ứng phosphoryl hoá oxy hoá ở những đối tượng khác nhau cho thấy: từng phản ứng riêng diễn ra với tốc độ lớn hơn phosphoryl hoá oxy hoá chung. Nhờ tác dụng kìm hãm của các chất loại trừ kết hợp mà người ta có thể chia thành các phản ứng sau đây:

1. Trao đổi 32P-ATP:

Phản ứng này, 32P có vị trí cấu tạo nhóm phosphat tận cùng của ATP. Nó tương ứng với phản ứng 2 và 3 của thuyết kết hợp hoá học của phosphoryl hoá oxy hoá. Phản ứng trao đổi 32P-ATP xảy ra cực đại, khi các tiểu phần chuỗi hô hấp bị oxy hoá hoàn toàn và phụ thuộc vào tỷ lệ ADP/ATP và phosphat. Tốc độ phản ứng này bào quan trong nội chất ty thể nhỏ hơn cả ty thể.
2. Trao đổi ATP – ADP:

Phản ứng này diễn ra theo phản ứng 3 của thuyết kết hợp hoá học. Sự trao đổi này không phụ thuộc vào phosphat, mà do một enzim đã được tinh sạch 150 lần thực hiện. Nó là enzim rất ổn định, có trọng lượng phân tử thấp và cần cofactor là Mg2+ hay Mn2+ tham gia xúc tác. Phản ứng trao đổi ATP-ADP còn có thể xúc tác bằng enzym adenylatkinase.



3. Trao đổi H2O18 – P

H2O18 + PO4H-2 PO18O3H-2 + H2O

4. Trao đổi H2O18-ATP

H2O18 + A-R-P~P~PO3H2  A-R-P~P~PO18O2H2
+ H2O





Ý� nghĩa của hệ thống adenylic trong điều hoà trao đổi chất

Như chúng ta đã biết, dưới tác dụng của trao đổi chất, ATP được tổng hợp hay phân giải. Ngược lại, vòng tuần hoàn ATP ở trên cũng chứng tỏ ATP có vai trò điều hoà trao đổi chất tế bào. Tất cả các công trình nghiên cứu ATP đều có ngụ ý chứng minh vai trò quan trọng của ATP. Do đó, ATP được coi như " đồng tiền vạn năng" trong trao đổi chất tế bào.
Trong quá trình hô hấp và đường phân (glycolyse) thì ATP được hình thành theo phương trình chung dưới đây :
ADP + P ? ATP + H2O
Đối với các quá trình tiêu hao năng lượng thì phân giải ATP theo phản ứng ngược lại. Trong trao đổi chất tế bào thì hệ thống andenylic bao gồm AMP, ADP và ATP có thể biến đổi tương hỗ với nhau để luôn luôn đạt thế cân bằng nhanh chóng, khi đó giữa các thành phần có thể xảy ra:
ATP + AMP ? 2 ADP
Các quá trình cân bằng chuyển hoá giữa các thành phần hệ thống adenylic là nhờ vai trò xúc tác của adenylatkinase. Ngoài ra hệ thống adenylic, trước hết là AMP và ATP có ảnh hưởng trái ngược đến hàng loạt enzim điều hoà trao đổi chất.
Ví dụ : AMP có vai trò điều hoà phân giải và glucose hoá.

Bởi vì ở nồng độ thấp thì AMP có tác dụng hoạt hoá enzim fructose - 1,6 - diphosphat ase và không tác dụng với phosphofuctokinase, do đó dẫn đến hiện tượng glucose hoá. Nhưng khi nồng độ cao thì AMP có tác dụng kìm hãm fuctose - 1,6 - diphosphat đồng thời hoạt hoá phosphofrustokinas, cho nên dẫn đến làm tăng cường phân giải glucose.
Đối với những enzim nhất định thì AMP, ADP hay ATP thường có tác dụng trái ngược nhau. Ví dụ : phosphofrustokinas hay isocitratdehydrogenase thì AMP và ADP làm tăng hoạt động của các enzim này, ngược lại các enzim này bị kìm hãm bằng ATP.
Những hiện tượng như vậy cho phép chúng ta có thể giả thiết " tích luỹ năng lượng" khác nhau của hệ thống andenylic mà có tác dụng điều hoà chuỗi phản ứng với mức độ khác nhau của từng thành phần của hệ thống andenylic. Theo Atkinson thì tích luỹ năng lượng có thể biểu diễn như sau:
[ATP] + 0,5 [ADP]
Tích luỹ năng lượng =
[ATP] + [ADP] + [AMP]
Từ phương trình trên cho thấy: cứ hai phân tử ADP tương đương với một phân tử ATP, như vậy tích luỹ năng lượng là do hiệu quả phân tử ATP. Điều đó cũng phù hợp với số nhóm phosphat cao năng trong phân tử của chúng.
Cụ thể AMP trong hệ thống chung coi như không tích luỹ năng lượng và có giá trị tích luỹ năng lượng 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 andehylic phụ thuộc vào nồng độ của chúng cũng giống như điện dung( sức chứa điện) của một " acqui chì" ( cường độ dòng điện x thời gian) phụ thuộc vào nồng độ trạng thái oxy hoá khác nhau của các tấm chì. So sánh này chỉ tương đối, vì năng lượng tự do tiêu chuẩn khi thuỷ phân các liên kết pyrophosphat trong ATP và ADP là khác nhau.

Những enzim có biểu hiện phản ứng khi thay đổi tích luỹ năng lượng về nguyên tắc theo hai khả năng:
- Một là chúng tạo thành chuỗi mà làm tái tạo ATP hay tiêu hao ATP.
- Hai là có thể trình bày theo hình vẽ dưới đây:
Trong phần A cho biết thành phần phần trăm tích luỹ năng lượng với những giá trị khác nhau của AMP, ADP và ATP. Phần B là tốc độ phản ứng của enzim kiểm tra phụ thuộc vào chuỗi trao đổi chất tạo thành ATP ( R)và vào chuỗi phản ứng tiêu hao ATP do tích luỹ năng lượng ( V).
Các enzim như : phosphofuctokinase, pyruvatdehydrogenase, citratsynthease, isocitratdehydro-gennase, . thì phản ứng của chúng diễn ra phù hợp với tích luỹ năng lượng của đường cong R. Còn aspartatkinase, phosphoribosylpyro-phosphatsynthetase, v.v. thì lại theo đường cong V.
A B C

100 100 100
1
2 . 50 50 50

3

0,5 1,0 0,5 1,0 0,5 1,0

Tích luỹ năng lượng của hệ thống adenylic
Chất chuyển hoá : 1 = thấp, 2 = trung bình và 3 = cao.
Cân bằng giữa các quá trình phản ứng tạo thành ATP và tiêu hao ATP là điểm cắt của hai đường cong gặp nhau. Khi làm giảm tích luỹ năng lượng thì lại làm tăng các quá trình cung cấp năng lượng và giảm các quá trình tiêu hao năng lượng. Còn khi tăng tích luỹ năng lượng thì hệ thống adenylic thì có tác dụng ngược lại.
Những điều mô tả trên là cơ sở để điều hoà hệ thống phản ứng cung cấp và tiêu hao năng lượng của trao đổi chất tế bào.
Đặc biệt, khi điều hoà những con đường trao đổi chất đối với các quá trình hỗn hợp thì tác dụng không chỉ là phản ứng tiêu hao ATP mà còn cả cung cấp ATP. Những con đường trao đổi chất như vậy gọi là chuỗi phản ứng hai mặt.
Ví dụ : glycolyse là con đường hai mặt
Con đường này kiểm tra tích luỹ năng lượng xảy ra ở các vị trí của phosphofuctokinase, pyruvatkinase hay hexokinase. Để thực hiện điều đó thì chỉ riêng hệ thống adenylic có thể điều hoà sinh tổng hợp thành các chất chuyển hoá tiêu biểu như : pyruvat, acetyl - CoA, oxalacetat, - cetogluterat, v.v.
Do đó, khi tích luỹ năng lượng cao lại làm giảm tốc độ tạo thành các chất trên.
Trong những trường hợp như vậy là do cơ chế tác dụng ngược. Bởi vì citrat là chất tác dụng âm đối với phosphofuctokinase và acetyl - CoA là chất tác dụng âm của pyruvatdehydrogenase. Những kiểu kìm hãm bằng sản phẩm như vậy, hầu như không xảy ra khi tích luỹ năng lượng thấp, nhưng khi tích luỹ năng lượng cao lại tác dụng kìm hãm đáng kể, điều đó được trình bày ở hình C.
Chuỗi phản ứng hai mặt như glycolyse thì tốc độ phản ứng enzim phụ thuộc vào các chất chuyển hoá làm tín hiệu, các chất chuyển hoá có nồng độ thấp hay cao tuỳ thuộc vào khả năng tích luỹ năng lượng khác nhau. Nồng độ thấp của tín hiệu chuyển hoá ( đối với glycolyse có lẽ là citrat) thì bước phản ứng enzim của con đường này (phosphofuctokinase trong trường hợp đường phân) chỉ bị phụ thuộc rất ít vào tích luỹ năng lượng, khi nồng độ cao của tín hiệu chuyển hoá thì tăng cảm ứng của enzim kiểm tra đối với tích luỹ năng lượng.
Như vậy, dòng cơ chất bị trì trệ dưới ảnh hưởng ti�ch luỹ năng lượng với giá trị cao trong chuỗi.
Những điều mô tả trên chứng tỏ tốc độ trao đổi chất phụ thuộc vào các thông số kiểm tra khác nhau và qua đó cho thấy hệ thống adenylic có vai trò quyết định điều khiển trình tự hệ thống trao đổi chất tế bào.