Bài giảng Liên quan và điều hòa chuyển hóa

LIÊN QUAN và ĐIỀU HÒA CHUYỂN HÓA TS. BS. Đông Thị Hoài An 1 MỤC TIÊU 1. Trình bày được sự liên quan giữa các chuyển hóa glucid, lipid, protid và acid nucleic (G, L, P, AN). Chứng minh được sự thống nhất của các chuyển hóa, sự biến đổi qua lại giữa G, L, P, AN, nhưng không thể thay thế nhau hoàn toàn được. 2. Giải thích được điều hòa chuyển hóa ở mức tế bào bằng cơ chế ảnh hưởng đến hoạt tính của enzyme hoặc ảnh hưởng đến sinh tổng hợp enzyme. DÀN BÀI 1. LIÊN QUAN CHUYỂN HÓA 2. KHÁI NIỆM VỀ ĐIỀU HÒA CHUYỂN HÓA 2 3Sự đường phân (glycolysis) ATP Chuyển hóa Glucid 4Sự đường phân (Glycolysis ) 5 6Chuỗi hô hấp tế bào (respiratory chain, electron transport chain) NADHH+ 3 ATP FADH2 2 ATP 7 8 9- oxi hóa acid béo ( - oxidation) Chuyển hóa Lipid 10 Sự tạo các thể ceton từ acetyl CoA 11 Sự tạo thành và vận chuyển các thể ceton 12 Chuyển hóa Protid CÁC QUÁ TRÌNH THOÁI HÓA CHUNG CỦA ACID AMIN 1. Khử carboxyl - CO2 R – CH – COOH R – CH2 - NH2 decarboxylase (amin tương ứng) NH2 2. Khử amin oxy hóa deaminase R – CH – COOH RCOCOOH + NH3 -2H, +H2O ceto acid NH2 13 Sự thoái hóa gốc R của các acid amin Glucid, lipid, protid, acid nucleic  có những con đường chuyển hóa riêng.  có những điểm chung  giữa chúng có những mối liên quan chặt chẽ với nhau. Các quá trình chuyển hóa  được kiểm soát chặt chẽ bởi tế bào và cơ thể  và được điều hòa theo nhu cầu của cơ thể. Trong tế bào có hàng loạt các trạng thái thăng bằng và các trạng thái này luôn luôn bị phá vỡ và được tái lập 14 1. LIÊN QUAN CHUYỂN HÓA 1.1.Sơ đồ tổng quát 15 Citric Acid Cycle 1.2. Sự thống nhất chuyển hóa: được thể hiện ở: Chu trình acid citric: - là giai đoạn thoái hóa chung cuối cùng của G, L, P. - sản phẩm chung là Acetyl CoA CO2 và H2O. Sự hô hấp tế bào: G, L, P đều bị “đốt cháy” theo những cơ chế và hệ thống enzyme chung của quá trình hô hấp tế bào: + tạo CO2 nhờ sự khử carboxyl bởi decarboxylase, + tách dần từng 2H và đưa tới O2 thở vào qua chuỗi hô hấp tế bào, tức quá trình oxy hóa- khử sinh học, để tạo thành H2O. Tích trữ và sử dụng năng lượng: - nhờ quá trình phosphoryl hóa và hệ thống ATP – ADP. - Sự oxy hóa G, L, P + đều giải phóng năng lượng với mức độ khác nhau, + điểm chung: *một phần năng lượng đó được tỏa ra dưới dạng nhiệt *một phần được tích trữ dưới dạng ATP. 17 1.3. Sự biến đổi qua lại giữa glucid, lipid và protid dùng chất đồng vị phóng xạ đã chứng minh là glucid, lipid, protid có thể biến đổi qua lại. - không xảy ra trực tiếp - mà phải thông qua những chất “ngã ba đường”, chúng vừa là sản phẩm thoái hóa chung, vừa là tiền chất cho sự tổng hợp các chất glucid, lipid, protid. Ví dụ: pyruvat, acetyl CoA, oxaloacetat,PGA Glucid Lipid Chất “ngã ba đường” Protid 18 Pyruvat: alanin khử amin tân tạo glucid pyruvat glucid acetyl CoA tổng hợp acid béo 19 PGA (Phosphoglyceraldehyd): Glycerol khử hydro PDA (phosphodioxyaceton) tân tạo glucid PGA glucid amin hóa pyruvat alanin Như vậy glucid, lipid, protid có thể biến đổi qua lại được. 20 Nhưng chúng không thể thay thế nhau hoàn toàn được - Glucid là nguồn năng lượng chủ yếu của cơ thể. - Lipid: các acid béo cần thiết thì cơ thể không thể tổng hợp được (acid linoleic, acid linolenic). - Protid: các acid amin cần thiết thì cơ thể cũng không thể tổng hợp được. Do đó cơ thể cần có một chế độ dinh dưỡng hợp lý, đủ chất với một tỷ lệ nhất định. 21 10 acid amin không cần thiết 10 acid amin cần thiết alanin arginin aspartat histidin asparagin isoleucin cystein leucin glutamat lysin glutamin methionin glycin phenylalanin prolin threonin serin tryptophan tyrosin valin 22 1.4. Sự liên hợp giữa các phản ứng và quá trình  Phản ứng liên hợp: phản ứng thoái hóa giải phóng năng lượng + phản ứng tổng hợp thu năng lượng. ATP ADP G G6P  HMP NADPHH+ tổng hợp acid béo ribose-5-phosphat tổng hợp acid nucleic 23  HDP: cung cấp oxaloacetat, đưa acetyl CoA (sản phẩm oxy hóa acid béo) vào chu trình acid citric.  Chu trình acid citric (Krebs): cung cấp succinyl CoA cho quá trình tạo Hem.  Chu trình Krebs: có liên quan tới chu trình urê: Oxaloacetat Aspartat Citrulin Malat Fumarat Arginosuccinat Arginin 24 1.5. Quan hệ chuyển hóa giữa các bào quan trong tế bào 25 1.6. Quan hệ chuyển hóa giữa các mô 26 27 28 2.KHÁI NIỆM VỀ ĐIỀU HÒA CHUYỂN HÓA Cơ thể sống có khả năng tự điều hòa . - mức tế bào (sự điều hòa chuyển hóa) - mức toàn cơ thể (kiểm soát chuyển hóa nhờ hormone, thần kinh). Cơ chế điều hòa ảnh hưởng chủ yếu: - đến hoạt tính của enzyme - hoặc đến sinh tổng hợp enzyme. 2.1. Điều hòa nhờ cơ chế làm thay đổi hoạt tính của enzyme Lượng enzyme không đổi, nhưng hoạt tính enzyme thì thay đổi làm tốc độ chuyển hóa thay đổi. Hoạt tính của enzyme thay đổi, do - thay đổi nồng độ cơ chất hoặc nồng độ coenzyme - hoặc do cơ chế dị lập thể. 29 30 31 32 2.2. Điều hòa nhờ cơ chế ảnh hưởng đến sự sinh tổng hợp enzyme Thay đổi lượng enzyme thay đổi hoạt độ của enzyme thay đổi tốc độ chuyển hóa. 2.2.1. Giả thuyết operon Monod và Jacob: nghiên cứu sự hấp thụ và sử dụng lactose ở E.coli. Có 3 enzyme: - galactosidase galactosid permease galactosid transacetylase Nuôi cấy E. coli: - trong môi trường có glucose: cả 3 enzyme đều có lượng rất nhỏ. - trong môi trường có lactose: cả 3 enzyme đều tăng hàm lượng rõ rệt - trong môi trường có glucose: cả 3 enzyme đều giảm rõ rệt Vậy lactose: chất cảm ứng 3 enzyme trên: enzyme cảm ứng Cơ chế: sự cảm ứng tổng hợp enzyme. 33 Giả thuyết operon : 34 R, Re: Regulator O: Operator P: Promotor S: Structural gene 2.2.2. Tổng quát về cơ chế kiểm soát của protein điều hòa đối với sự chuyển mã ở tế bào nhân sơ Gen điều hòa R chỉ huy sự tổng hợp protein điều hòa Re (protein này có thể là chất kìm hãm R' hoặc chất hoạt hóa A'). Protein kìm hãm R' hoạt động có tác dụng đóng gen (nó gắn vào gen khởi động P, ngăn ARN polymerase bám vào P). Protein hoạt hóa A' hoạt động có tác dụng mở gen (nó gắn vào P và giúp cho ARN polymerase bám vào P). Khi chất kết (ligand) gắn vào protein điều hòa Re sẽ ảnh hưởng tới sự đóng mở gen. 35 Loại Điều hòa âm Điều hòa dương I (R’ gắn vào P thì ngăn cản sự chuyển mã) - R’ gắn vào P; gen đóng - Chất kết gắn vào R’ thành phức hợp không bám vào P: gen mở (A’ gắn vào P khởi động sự chuyển mã) - A’ gắn vào P; gen mở - Chất kết gắn vào A’ thành phức hợp gắn vào P: gen đóng II - Chất kết gắn vào R’ thành phức hợp bám vào P: gen đóng - Loại bỏ chất kết thì R’ tách khỏi P: gen mở - Chất kết gắn vào A’ thành phức hợp gắn vào P: gen mở - Loại bỏ chất kết thì A’ tách khỏi P: gen đóng. 36 Cơ chế điều hòa hoạt động gen 2.2.3. Cơ chế kìm hãm tổng hợp enzyme (đối với các enzyme tổng hợp) Ví dụ: Sự tổng hợp tryptophan ở E. coli ứng với operon tryptophan. Sự điều hòa tổng hợp các enzyme tổng hợp tryptophan là sự điều hòa âm Trp-operon có 5 gen cấu trúc ứng với 5 enzyme của quá trình tổng hợp tryptophan 37 38 Đóng mở gen của Trp-operon. Apol: ARN polymerase; L: ligand, chất kết. • Gen điều hòa của Trp-operon chỉ huy sự tổng hợp protein điều hòa là chất kìm hãm R’ không hoạt động (gọi là aporepressor). Khi R’ kết hợp với chất kết (gọi là chất đồng kìm hãm co-repressor) thì phức hợp tạo thành ở dạng hoạt động (bám vào O ngăn không cho ARN polymerase bám vào P, do đó sự chuyển mã không xảy ra). • Khi nồng độ Trp trong tế bào vi khuẩn thấp (tế bào có nhu cầu về Trp), chất kết trp không gắn vào R’ và R’ ở trạng thái không hoạt động, gen mở. ARN polymerase bám vào P và sự chuyển mã xảy ra. • Khi nồng độ Trp trong tế bào cao (tế bào không có nhu cầu tổng hợp trp), chất kết Trp bám vào R’ tạo nên phức hợp hoạt động bám vào O ngăn không cho ARN Polymerase bám vào P, do đó gen đóng, sự chuyển mã không xảy ra. Sự tổng hợp các enzyme tổng hợp Trp đã bị kìm hãm. 39 2.2.4. Cơ chế cảm ứng tổng hợp enzyme (đối với enzyme thoái hóa) Lac-operon (operon của lactose) ở E. coli kết hợp 2 cơ chế điều hòa âm và dương.  Điều hòa âm: theo cơ chế cảm ứng tổng hợp enzyme. Trước khi cảm ứng, β galactosidase Lactose galactose + glucose galactose + glucose allolactose (có liên kết 1,6-glycosid) Allolactose là chất cảm ứng và nó mở lac-operon bằng cách kết hợp với chất kìm hãm để làm bất hoạt chất này. 40 Lac-operon với các gen cấu trúc lac-z, lac-y và lac-a; chất kìm hãm Lac-R’. (A) Không có chất cảm ứng, chất kìm hãm đóng gen. (B) Có chất cảm ứng: phức hợp chất cảm ứng - chất kìm hãm không hoạt động, gen mở và lac-ARNm được tổng hợp (ARNm polycistronic) và các enzyme tương ứng được tổng hợp. Z: β galactosidase; Y: permease; A: transacetylase. 41  Điều hòa dương: protein điều hòa sẽ hoạt động như những chất hoạt hóa chuyển hóa (A’) hay protein hoạt hóa gen. Ví dụ CAP (catabolite activator protein) của vi khuẩn E. coli hoạt hóa gen khiến E. coli có thể sử dụng nguồn carbon khác glucose khi không có mặt glucose(glucose là nguồn carbon thông thường và ưa thích của E. coli). Khi nồng độ glucose giảm mạnh thì có sự cảm ứng, làm tăng AMPv nội bào, chất này bám vào CAP khiến cho CAP bám vào được một đoạn ADN đặc hiệu gần đoạn khởi động P và mở các gen tương ứng (chỉ huy sự tổng hợp các enzyme xúc tác sự thoái hóa chất tạo nguồn carbon khác glucose). 42 Kiểm soát kép đối với lac-operon 43 44 Cơ chế tăng đường huyết do adrenalin • Đối với động vật bậc cao, sự điều hòa nhờ cơ chế thần kinh (qua chất trung gian hóa học) và hormon (ví dụ adrenalin gây tăng đường huyết nhờ một loạt phản ứng nội bào dẫn đến sự hoạt hóa enzyme phosphorylase b thành phosphorylase a hoạt động phân giải glycogen thành glucose và ức chế glycogen synthase). • Sự điều hòa chuyển hóa ở mức cơ thể, mức tế bào (ví dụ sự vận chuyển tích cực các chất qua các màng) và mức phân tử (chuyển mã, giải mã...) đều phức tạp. • Tốc độ phản ứng rất nhanh, sự oxy hóa xảy ra trong 10-4 giây, tổng hợp chuỗi 150 aa cần 1,5 phút, nói lên tính chất phức tạp và phong phú của điều hòa chuyển hóa. • Sự điều hòa chuyển hóa là kết quả sự vận động của các mặt đối lập (hệ thần kinh giao cảm và phó giao cảm; hormon tăng đường huyết và giảm đường huyết; ức chế và hoạt hóa...)./. 45