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 hóaglucid, lipid, protid và acid nucleic (G, L, P, AN).Chứng minh được sự thống nhất của các chuyểnhóa, sự biến đổi qua lại giữa G, L, P, AN, nhưngkhông thể thay thế nhau hoàn toàn được.

2. Giải thích được điều hòa chuyển hóa ở mức tế bàobằng cơ chế ảnh hưởng đến hoạt tính của enzymehoặc 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

4

Sự đường phân (Glycolysis )

5

6

Chuỗi hô hấp tế bào (respiratory chain, electron transport chain)

NADHH+ 3 ATPFADH2 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 vớinhau.

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 enzymechung 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 béoribose-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 choquá 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 HÓACơ 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 enzymeThay 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 điềuhòa 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 hoạthóa A').

Protein kìm hãm R' hoạt động có tác dụng đóng gen (nógắn vào gen khởi động P, ngăn ARN polymerase bámvào P).

Protein hoạt hóa A' hoạt động có tác dụng mở gen (nógắn vào P và giúp cho ARN polymerase bám vào P).

Khi chất kết (ligand) gắn vào protein điều hòa Re sẽ ảnhhưởng 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 tổnghợp)

Ví dụ: Sự tổng hợp tryptophan ở E. coli ứng với operontryptophan.

Sự điều hòa tổng hợp các enzyme tổng hợp tryptophan làsự điều hòa âm

Trp-operon có 5 gen cấu trúc ứng với 5 enzyme của quá trình tổng hợptryptophan

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 proteinđiều hòa là chất kìm hãm R’ không hoạt động (gọi làaporepressor). Khi R’ kết hợp với chất kết (gọi là chất đồngkìm hãm co-repressor) thì phức hợp tạo thành ở dạng hoạtđộng (bám vào O ngăn không cho ARN polymerase bám vàoP, do đó sự chuyển mã không xảy ra).

• Khi nồng độ Trp trong tế bào vi khuẩn thấp (tế bào có nhu cầuvề Trp), chất kết trp không gắn vào R’ và R’ ở trạng tháikhông hoạt động, gen mở. ARN polymerase bám vào P và sựchuyển mã xảy ra.

• Khi nồng độ Trp trong tế bào cao (tế bào không có nhu cầutổng hợp trp), chất kết Trp bám vào R’ tạo nên phức hợp hoạtđộng bám vào O ngăn không cho ARN Polymerase bám vàoP, do đó gen đóng, sự chuyển mã không xảy ra. Sự tổng hợpcác 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. Trướckhi 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 kếthợp 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 hoạthóa chuyển hóa (A’) hay protein hoạt hóa gen.

Ví dụ CAP (catabolite activator protein) của vi khuẩnE. coli hoạt hóa gen khiến E. coli có thể sử dụngnguồn carbon khác glucose khi không có mặtglucose(glucose là nguồn carbon thông thường vàưa thích của E. coli).

Khi nồng độ glucose giảm mạnh thì có sự cảm ứng,làm tăng AMPv nội bào, chất này bám vào CAPkhiến cho CAP bám vào được một đoạn ADN đặchiệu gần đoạn khởi động P và mở các gen tươngứng (chỉ huy sự tổng hợp các enzyme xúc tác sựthoái 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