Hydratcacbon

Năng lượng sinh học
Đề tài: Điều hòa quá trình phân giải Hydratcacbon

Người thực hiện: Trần Thị Thùy Trang
Người hướng dẫn: TS. Võ Văn Toàn

MỞ ĐẦU
Đặc trưng đối với trao đổi chất của cơ thể sống là trạng thái ổn định cao, nghĩa là xác định chính xác tất cả các quá trình xảy ra. Đó là khả năng phản ứng trong những điều kiện khác nhau. Trong mỗi trường hợp mỗi cơ thể đều có các cơ chế kiểm tra và tự điều hòa để đảm bảo thích ứng cao nhất với môi trường xung quanh và cả quá trình sống của chúng.
NỘI DUNG
1. Nguyên tắc điều hòa trao đổi chất
1.1. Sơ lược về điều khiển học
1.2. Khái niệm chung về nguyên tắc điều hòa trao đổi chất
1.3 Các diện điều hòa
1.4. Ý nghĩa của hệ thống adenylic trong điều hòa trao đổi chất
2. Điều hòa phân giải hydratcarbon
2.1. Điều hòa phân giải glucose và cơ chế hiệu qủa Pasteur
2.2. Hiệu quả Crabtree
2.3. Điều hòa chu trình Crebs
2.4. Kiểm tra glucose hóa
1. Nguyên tắc điều hòa trao đổi chất
1.1. Sơ lược về điều khiển học
Điều khiển học nhằm tìm hiểu tính quy luật về kiểm tra, điều hòa, truyền tin và chế biến thông tin trong hệ thống sinh học (Wener).
Bản chất của điều khiển học là tính quy luật của các hệ thống tự điều hòa chuỗi phản ứng trao đổi chất tế bào, mà do một enzym chủ đạo xúc tác. Bởi vì trao đổi chất có mối quan hệ hữu cơ giữa các quá trình tác dụng trao đổi có tính chất điều khiển tuần hoàn.
Điều khiển tuần hoàn là một hệ thống kín mà có nhiều thành phần tác dụng luân phiên nhau trong một hệ thống tương đối bền vững với những tác động từ bên ngoài hệ thống (hình 1).
Trong điều khiển học khái niệm tác dụng ngược (Feedback) có vai trò cực kì quan trọng. Tác dụng ngược là một chức năng có tính nguyên tắc của điều khiển tuần hoàn. Tác dụng ngược lại trong trao đổi chất là sản phẩm cuối cùng của chuỗi phản ứng ảnh hưởng đến hoạt động của enzym chủ đạo, do đó làm thay đổi tốc độ chuyển hóa dòng cơ chất trong quá trình chung. Như vậy có thể nói đó là một hệ thống tự điều hòa.
Tác dụng ngược lại có thể là dương hay âm, tùy thuộc vào chất tác dụng làm hoạt hóa hay kìm hãm enzym chủ đạo. Ví dụ Tác dụng âm như kìm hãm enzym L-threonindesaminase ở Escherichia coli (hình 2). Còn tác dụng dương trở lại, ví dụ như hoạt hóa phosphofructokinase bằng sản phẩm phản ứng của nó là fructose-1,6-diphosphat và ADP (hình 3).

Vị trí phá hủy làm thay đổi cân bằng động
giữa tổng hợp và phân giải ATP
 

 
Cân bằng động giữa các phản ứng
trao đổi chất tiêu hao và cung cấp ATP
Mức độ điều Tốc độ phản ứng cung
khiển ATP cấp ATP (quan trọng)
Những phản ứng cung cấp ATP
 

 
Giá trị cần thiết của nồng độ ATP
trong tế bào (ý nghĩa chủ đạo)
 
Hình 1: Sơ đồ điều khiển tuần hoàn lưu lượng ATP trong tế bào
CH3-CH-CH-COOH
| | Threonin
OH NH2
NH4+ Threonindesaminase
alpha-Cetobutyrat
 
alpha- Cetohydroxybutyrat
 
alpha-beta-Dihydroxy-beta- methylvalerat Ө
 
alpha-Ceto-beta-methylvalerat
 
CH3-CH-CH-COOH
  | |
CH3-CH2-NH2
L-isoleucin
 
Hình 2: Sinh tổng hợp isoleucin từ threonin
Phosphofructokinase
F-6-G + ATP F-1,6-diP + ADP
 


Hình 3: Tác dụng ngược dương của ADP và FDP đến hoạt động của phosphofructokinasse

1.2. Khái niệm chung về nguyên tắc điều hòa trao đổi chất
Đặc trưng đối với trao đổi chất của cơ thể sống là trạng thái ổn định cao, nghĩa là xác định chính xác tất cả các quá trình xảy ra. Đó là khả năng phản ứng trong những điều kiện khác nhau, ví dụ ngủ nghỉ và hoạt động vẫn diễn ra các quá trình phân giải và tổng hợp, cảm ứng và trấn áp… trong các điều kiện kị khí và hiếu khí. Trong mỗi trường hợp mỗi cơ thể đều có các cơ chế kiểm tra và tự điều hòa để đảm bảo thích ứng cao nhất với môi trường xung quanh và cả quá trình sống của chúng.
Ví dụ điều hòa trao đổi chất: hiệu quả Pasteur, điều hòa glucose hóa, điều hòa tổng hợp và phân giải glycogen…

1.3 Các diện điều hòa

Đặc trưng đối với cơ thể sống là trạng thái ổn định cao, nghĩa là chúng phản ứng chính xác với tất cả các quá trình xảy ra trong cơ thể. Điều đó có thể thực hiện trong các điều kiện khác nhau của môi trường sống, ví dụ ngủ nghỉ và hoạt động vẫn xảy ra các quá trình phân giải và tổng hợp, cảm ứng và trấn áp, hiếu khí và kị khí…Trong mỗi trường hợp đều có các cơ chế kiểm tra và tự điều hòa để đảm bảo ăn khớp tối đa của cơ thể sống với từng thời kì và cả quá trình sống. Người ta có thể chia điều hòa thành ba loại khác nhau là:
- Điều hòa chuyển hóa
- Điều hòa giai đoạn gen (điều hòa tác dụng ngoại môi)
- Điều hòa hoạt động gen

1.4. Ý nghĩa của hệ thống adenylic trong điều hòa trao đổi chất
ATP được coi như “đồng tiền vạn năng” của trao đổi chất tế bào.
Trong quá trình hô hấp và đường phân (glycolyse) thì ATP được hình thành theo phương trình:
ADP + P ATP + H2O
Và đối với các qúa trình tiêu hao năng lượng thì phân giải ATP theo phản ứng ngược lại. Trong trao đổi chất tế bào thì hệ thống adenylic bao gồm AMP, ADP, ATP có thể biến đổi tương hỗ với nhau để 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 hóa giữa các thành phần hệ thống adenylic là nhờ vai trò xúc tác của adenylatkinase. Trong hệ thống adenylic, trước hết là AMP và ATP có ảnh hưởng trái ngược nhau đến hàng loạt enzym điều hòa trao đổi chất. Đối với những enzym nhất định thì AMP, ADP hay ATP thường có tác dụng trái ngược nhau.
Những hiện tượng như vậy cho phép chúng ta có thể giả thiết “tích lũy năng lượng” khác nhau của hệ thống adenylic mà có tác dụng điều hòa chuỗi phản ứng với mức độ khác nhau của từng thành phần của hệ thống adenylic. Theo Atkinson thì tích lũy năng lượng (energy charge) có thể biểu diễn như sau:
[ATP] + 0,5[ADP]
Tích lũy năng lượng =
[ATP] + [ADP] + [AMP]

2. Điều hòa phân giải hydratcarbon
2.1. Điều hòa phân giải glucose và cơ chế hiệu qủa Pasteur
Hexokinase có vai trò quan trọng là kiểm tra nồng độ glucose-6-phosphat. Bởi vì, glucose-6-phosphat có tác dụng kết hợp ngược âm đối với hexokinase. Trong số các nhân tố thì phosphofructokinase có ý nghĩa chủ đạo nhất. Bởi vì dựa vào hoạt động tương đối của enzym này, cho phép xác định được hàm lượng glucose-6-phosphat trong các tế bào và mô. Khi enzym này hoạt động mạnh mẽ làm giảm hàm lượng glucose-6-phosphat và ngược lại nó hoạt động yếu thì hàm lượng glucose-6-phosphat tăng lên. Bằng những bằng chứng như vậy chứng tỏ phosphofructokinase có tác dụng kiểm tra phản ứng hexokinase.
Phosphofructokinase là enzym dị lập thể, có chức năng kiểm tra quan trọng. Nó có các trung tâm liên kết khác nhau đối với hàng loạt chất tác dụng. Enzym này bị kìm hãm mạnh bằng ATP và citrat, nhưng lại được hoạt hóa bằng AMP, ADP, phosphat vô cơ, fructose-6-phosphat, fructose-1, 6-diphosphat và adenosin-3’, 5’-monophosphat.
Enzym dị lập thể khác của đường phân là pyruvakinase, enzym này có hai kiểu chính là kiểu gan L (levertyp) và kiểu cơ M (muscetyp).

 
Hình 4. Mô hình điều hòa dị lập thể trong trao đổi glucose
––––: tín hiệu hóa học làm biến đổi hoạt tính xúc tác enzym;
------: ảnh hưởng dị lập thể (+); tác dụng dương (-): kìm hãm.
Cơ chế điều hòa phân giải hydratcarbon do hệ thống enzym đặc biệt chịu trách nhiệm, đó là phức hợp pyruvatdehydrogenase. Hệ thống enzym này xúc tác quá trình decarboxyl hóa oxy hóa axit pyruvic phụ thuộc vào CoASH và NAD+.
Phosphat vô cơ, ADP, ATP cũng như NAD+ và NADH là những chất kiểm tra chuyển hóa quan trọng của đường phân. Ngoài các chất này thì còn nhiều nhân tố dị lập thể khác có vai trò đặc biệt quan trọng trong việc kết hợp giữa đường phân với hô hấp và có vai trò đối với duy trì trạng thái hiệu quả pasteur, do đó chịu trách nhiệm với kìm hãm dòng cơ chất đường phân nhờ hô hấp.
Cạnh tranh giữa hô hấp và pyruvat với chất khử NADH xuất hiện hiệu quả pasteur.
-Hiệu quả pasteur được giải thích không chỉ do tiêu hao nhiều glucose trong các điều kiện kỵ khí, mà còn cả kìm hãm hiệu quả pasteur bằng các chất loại trừ kết hợp phosphoryl hóa.
-Trạng thái tồn tại hiệu quả Pasteur có liên quan chặt chẽ với tính chất dị lập thể và chức năng kiểm tra của phosphofructokinase. Trong các điều kiện hoạt động từ hiếu khí sang kỵ khí và ngược lại, người ta đã chứng minh phosphofructokinase là enzym bước phản ứng của đường phân. Enzym này cùng với hexokinase làm thành một đơn vị chức năng, trong đó hệ thống ATP-ADP-AMP có ý nghĩa lớn lao trong mối quan hệ với fructose-6-phosphat có tác dụng phức tạp đến enzym làm cho kết quả động học đặc biệt quan trọng. Do đặc trưng của hệ thống adenylic đối với hô hấp và đường phân trở thành hệ thống trung tâm điều hòa trao đổi chất tế bào và chi phối cả hai con đường hô hấp và đường phân.
2.2. Hiệu quả Crabtree
Trao đổi hydratcarbon và hô hấp của khối u biểu hiện qua hai hình thức quan trọng như sau:
a. Nhờ đường phân hiếu khí cao.
b. Nhờ kìm hãm hô hấp, sau khi thêm glucose vào các tế bào khối u cũng có hiệu quả Pasteur như mọi tế bào khác. Nhưng hô hấp có thể xảy ra không triệt để như đa số tế bào động vật bình thường mà nó dừng lại ở mức tạo thành lactat.
Hiệu quả ngược lại, sau khi thêm glucose vào tế bào khối u dẫn đến kìm hãm hô hấp tĩnh (trong điều kiện ngủ nghỉ) gọi là hiệu quả “Crabtree”.
Chất loại trừ kết hợp phosphoryl hóa chuỗi hô hấp có khả năng loại trừ hiệu quả Crabtree. Như vậy có mối liên quan chặt chẽ về năng lượng giữa hô hấp với đường phân ở các tế bào khối u (ung thư). Chứng tỏ khi có mặt glucose, lúc đó làm mất khả năng tổng hợp ATP, do kìm hãm hô hấp tương ứng và đường phân hiếu khí. Mối liên quan năng lượng nghiêm ngặt này cũng xảy ra trong các điều kiện hiếu khí và kỵ khí, khi có glucose.
Bên cạnh đó, người ta cũng còn phải quan tâm đến các nguyên nhân khác đối với duy trì hiệu quả Crabtree, đó là:
1. Oxy hóa cơ chất nội sinh (axit amin, axit béo,…) của tế bào làm cơ sở để oxy hóa glucose.
2. Sau khi thêm glucose vào trực tiếp, dẫn đến làm tăng hô hấp đột ngột ở một giai đoạn trung gian.
3. Kìm hãm hô hấp còn do 2-desoxy-D-glucose thì làm phosphoryl hóa mà không thể thay thế quá trình đường phân. Nguyên nhân không kìm hãm hô hấp là do glucose không được phosphoryl hóa.
2.3. Điều hòa chu trình Crebs
Mỗi thành phần của chu trình Crebs có tốc độ biến đổi rất nhanh.
Trong các trạng thái đói và đường niệu, người ta thấy ở gan tăng cường oxy hóa axit béo, do đó dẫn đến hàng loạt những biến đổi trao đổi chất ở gan. Cụ thể là làm giảm tốc độ tổng hợp citrat mà lại làm tăng cường tạo thành acetoacetic và - hydroxybuteric, đồng thời làm giảm oxy hóa pyruvat và isocitrat, ngược lại làm tăng tốc độ carboxyl hóa pyruvat.
Các enzym trùng ngưng (citratsynthetase) xúc tác tạo thành axit citric từ acetyl-CoA và oxalacetic, chúng chịu sự kiểm tra của ATP và ADP.
Các liên kết Acyl-CoA của axit béo chuỗi dài cũng là chất kìm hãm của citratsynthetase.
Một enzym kiểm tra dị lập thể quan trọng khác của chu trình Crebs là isocitrratdehydrogenase ty thể chuyên hoá với NAD+. Enzym này cũng bị kiểm tra bằng hệ thống adenylic ty thể. Khi tích lũy năng lượng cao thì kìm hãm, còn khi tích lũy năng lượng thấp lại hoạt hóa enzym này.
 
 
Hình 5: Chu trình Crebs

2.4. Kiểm tra glucose hóa
Glucose hóa không phải là quá trình nghịch đảo đơn thuần của glycolyse.
Glucose hóa xảy ra chủ yếu ở gan và thận, thường xuyên được kiểm tra bằng các hormon khác nhau, trước hết là hormon thượng thận như cortisol và cortison, cũng như insulin và glucagon. Glucose hóa được tăng cường trong các trường hợp bệnh lí như đường niệu và đói.
Điều hòa glucose hóa có thể tiến hành theo nhiều cách khác nhau, trong đó không chỉ bằng nồng độ enzym do thay đổi tổng hợp enzym, mà hoạt động enzym do kìm hãm hay hoạt hóa chúng.

  Hình 6: Quá trình glucose hóa và điều hòa

Các cơ chế kiểm tra dị lập thể đã được nghiên cứu nhiều đối với pyruvatcarboxylase và fructose-1,6-diphosphatase. Pyruvatcarboxylase làm tăng hoạt động bằng acetyl-CoA, nồng độ acetyl-CoA cao đối với gan của bệnh đái đường làm tăng hoạt động pyruvatcarboxylase tạo điều kiện thuận lợi cho glucose hóa do tạo thành acetyl-CoA dẫn đến làm tăng hoạt động pyruvatcarboxylase và thương số NADH/NAD+ do oxy hóa axit béo, cho nên làm tăng hoạt động enzym và đảo ngược bước phản ứng 3-phospho-glyceraldehytdehydrogenase.
Bên cạnh pyruvatcarboxylase còn có fructose-1,6-diphosphatase cũng có tác dụng kiểm tra quá trình glucose hóa. Enzym này bị kìm hãm bằng AMP và ADP, nhưng lại kích thích hoạt động phosphofructokinase bằng các cơ chất này. Từ đó có thể điều hòa hai enzym này trái ngược nhau: nồng độ AMP và ADP thấp thì fructose-1,6-diphosphatase hoạt động tăng lên, nghĩa là tăng glucose hóa và giảm quá trình đường phân. Ngược lại khi nồng độ hai cơ chất AMP và ADP cao lại có tác dụng ngược lại. Axit lactic là cơ chất của glucose hóa, có thể loại bỏ kìm hãm hoạt động của fructose-1,6-diphosphatase bằng AMP một cách gián tiếp, nghĩa là tăng hô hấp và do đó tác dụng phosphoryl hóa AMP thành ATP.

KẾT LUẬN
Đặc trưng đối với trao đổi chất của cơ thể sống là trạng thái ổn định cao, nghĩa là xác định chính xác tất cả các quá trình xảy ra. Trong mỗi trường hợp mỗi cơ thể đều có các cơ chế kiểm tra và tự điều hòa để đảm bảo thích ứng cao nhất với môi trường xung quanh và cả quá trình sống của chúng.
Người ta có thể chia điều hòa thành ba loại khác nhau là:
- Điều hòa chuyển hóa
- Điều hòa giai đoạn gen (điều hòa tác dụng ngoại môi)
- Điều hòa hoạt động gen

Hệ thống adenylic có ý nghĩa to lớn trong điều hòa trao đổi chất. Trong trao đổi chất tế bào thì hệ thống adenylic bao gồm AMP, ADP và ATP có thể biến đổi tương hổ với nhau để luôn luôn đạt thế cân bằng nhanh chóng, khi đó gữa các thành phần có thể xảy ra:
ATP + AMP 2ADP
Các quá trình cân bằng chuyển hóa giữa các thành phần hệ thống adenylic là nhờ vai trò xúc tác của adenylatkinase. Trong hệ thống adenylic, trước hết là AMP và ATP có ảnh hưởng trái ngược nhau đến hàng loạt enzym điều hòa trao đổi chất. Đối với những enzym nhất định thì AMP, ADP hay ATP thường có tác dụng trái ngược nhau.
Cơ chế điều hòa phân giải hydratcarbon do hệ thống enzym đặc biệt chịu trách nhiệm, đó là phức hợp pyruvatdehydrogenase. Hệ thống enzym này xúc tác quá trình decarboxyl hóa oxy hóa axit pyruvic phụ thuộc vào CoASH và NAD+.
Glucose hóa không phải là quá trình nghịch đảo đơn thuần của glycolyse. Khả năng cân bằng của các phản ứng hexokinase, phosphofructokinase và pyruvatkinase thường tiếp tục nghiêng về phía tạo thành glucose-6-phosphat, fructose-1,6-diphosphat và pyruvat, cho nên trong điều kiện sinh lí tế bào không thể thực hiện theo hướng ngược lại. Các bước phản ứng này muốn thực hiện ngược lại thì phải diễn ra theo con đường vòng và nhờ sự xúc tác của các enzym fructose-1,6-diphosphatase, glucose-6-phosphatase, pyruvatcarboxylase, phosphoenolpyruvatcarboxylkinase. Bằng các enzym này, cùng với các phần còn lại của con đường đường phân mà các cơ chất nhất định như axit lactic, axit pyruvic, axit amin… có thể biến đổi thành glucose và glycogen.
TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Nguyễn Quốc Khang. 2002. Năng lượng sinh học. NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội.
2. Vũ Văn Vụ, Vũ Thanh Tâm, Hoàng Minh Tấn. 2000. Sinh lí học thực vật. NXB Giáo dục.