Giáo trình Năng lượng sinh học: Phần 2

Chia sẻ: Lê Thị Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:102

Thêm vào BST

Báo xấu

98
lượt xem 22
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung phần 1 giáo trình cung cấp cho bạn đọc các kiến thức như: Các nguyên tắc điều hòa trao đổi chất, điều hòa các quá trình trao đổi chất tế bào, các quá trình cung cấp năng lượng trong cơ thể sinh vật, các quá trình tiêu hao năng lượng trong cơ thể sinh vật.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Năng lượng sinh học: Phần 2

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 Cân bằng động giữa các phản ứng trao đổi chất tiêu hao và cung Mức độ điểu cẩpATP khiển ATP . 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 Threonin O H NH, NH/ 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 G 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 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 .).
122 CÁC NGUYÊN TẮC ĐlỀư HÒA TRAO Đổl CHAT 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 u o=ệ \ o =c o p * h,n-c-h ;1 = 0 ô Carbamylaspartat CH, CTP (iình 6.3. Tổng hợp pyrỉmidỉn và kìm hăm aspartattranscarbamylase báng CTP. 0 Phosphoíructokinase F-6-G + ATP F- 1.6-diP + ADP t Q 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: AJ/J c= 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 . 125 H iệ u q u ả k iể m tra n ồ n g đ ộ = 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 ở 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 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 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 '‘Đồng tiên vạn 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:
128 CÁC NGUYÊN TẮC ĐlÊư HÒA TRAO Đ ổl CHẤT [ATP] + 0,5[ADP] Tích luỹ năng lượng = [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 tạo A T P h a y tiê u h a o A T P . - H a i là c ó thể trìn h b à y theo 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, pyruvatde- hydrogenase, citratsynthetase, isocitratdehydrogenase,... thì phản úng của chúng diễn ra [^ù hợp vói tích luỹ nảng lượng của dưòng cong R. Còn aspartatkinase, phosphoribosyl- pyrophosỊ^at-synthetase, V .V .... thì lại theo đường c(Htg V. B 100 0.5 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 129 C â n bằng giữ a c á c q u á trìn h p hản ứng tạo thành 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: [S] V = 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 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 c h ấ t. 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 : dodô dt đt 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 dt ' ' C á c hằng s ố tốc đ ộ 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, dXj _ dX^ dP dt dt dt 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 in- vivo, 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).
136 CÁC NGUYÊN TÁC ĐlỀU HÒA TRAO Đổl CHẤT 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 .