Giáo trình trao đổi chất và năng lượng - ĐH Đà Lạt

O O R-CH2-CH2-C-OH + ATP + CoA-SH → R-CH2-CH2-C-S-CoA + AMP + PPi Phaûn öùng naøy ñöôïc xuùc taùc bôûi nhoùm enzyme hoaït hoùa acid beùo goàm acetate thiolase vaø caùc acyl-CoA synthetase. Nhoùm enzyme naøy bao goàm ít nhaát hai loaïi: loaïi thöù nhaát ñaëc hieäu ñoái vôùi nhöõng chuoãi hydrocarbon coù chieàu daøi trung bình (4- 12 nguyeân töû carbon); loaïi thöù hai ñaëc hieäu cho nhöõng chuoãi daøi hôn. Ngoaøi ra, trong ty theå coøn coù moät loaïi acyl-CoA synthetase hoaït ñoäng vôùi söï tham gia cuûa GTP, nhöng khaùc vôùi caùc enzyme hoaït hoùa khaùc, trong phaûn öùng hai phaân töû GTP laàn löôït bò phaân giaûi thaønh 2 GDP vaø 2 Pi . GS.TS. Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng - 74 - Moät trong nhöõng yeáu toá xaùc ñònh toác ñoä oxy-hoùa acid beùo laø toác ñoä xuyeân thaám cuûa chuùng vaøo ty theå. Trong khi moät soá acit beùo (khoaûng 30% acid beùo toång soá) töï chuùng coù theå xuyeân thaám vaøo ty theå vaø trong matrix cuûa baøo quan naøy seõ ñöôïc hoaït hoùa thaønh acyl-CoA, thì phaàn lôùn acid beùo coù maïch carbon daøi hôn khoâng chui qua ñöôïc maøng trong cuûa ty theå vaø do ñoù caàn phaûi ñöôïc hoaït hoùa ngay sau khi xuyeân qua ñöôïc maøng ngoaøi cuûa ty theå. Sau ñoù nhöõng acyl-CoA naøy seõ di chuyeån qua lôùp maøng trong cuûa ty theå nhôø lieân keát taïm thôøi vôùi moät chaát vaän chuyeån laø carnitine (τ-trimethyl-amino-β-oxybutyrate). (CH3)≡N+-CH2-CH-CH2-COOH OH Carnitine Carnitine coù maët haàu nhö trong moïi cô theå vaø trong taát caû caùc moâ ñoäng thöïc vaät. Nhôø moät acyl transferase ñaëc hieäu, goác acyl cuûa acyl-CoA ñöôïc chuyeån cho nhoùm -OH cuûa carnitine, taïo neân acylcarnitine: O O H ––––N+ ≡ (CH3)3 R-C-S-CoA ––––––⎯⎯⎯⎯⎯→ R C O O- –––– C Carnitin CoA-SH (Acylcarnitin) O Ngöôøi ta cho raèng acyl-carnitine deã xuyeân qua maøng hôn acyl-CoA vì caùc ñieän tích aâm vaø döông naèm gaàn nhau hôn vaø deã trung hoøa nhau. Sau khi ñi vaøo matrix cuûa ty theå vaø tröôùc khi baét ñaàu quaù trình β-oxy-hoùa, nhoùm acyl laïi ñöôïc chuyeån veà cho CoA-SH. Quaù trình β-oxy-hoùa acid beùo no ñöôïc thöïc hieän qua 4 phaûn öùng keá tieáp sau ñaây: Acyl-CoA- dehydrogenase 1/ R-CH2-CH2-CH2-CO-S-CoA + FAD ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯> ⎯⎯⎯⎯→ R-CH2-CH=CH-CO-S-CoA + FAD.H2 Enoyl-CoA- dehydratase 2/ R-CH2-CH=CH-CO-S-CoA + H2O ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯> ⎯⎯→ R-CH2-CH2-CHOH-CO-S-CoA β-Hydroxyacyl-CoA- dehydrogenase 3/ R-CH2-CHOH-CH2-CO-S-CoA + NAD ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯> ⎯⎯→ R-CH2-CO-CH2-CO-S-CoA + NAD.H + H+ Thiolase 4/ R-CH2-CO-CH2-CO-S-CoA + CoA-SH ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯> GS.TS. Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng - 75 - ⎯⎯→ R-CH2-CO-S-CoA + CH3-CO-S-CoA Tröôùc tieân, trong phaûn öùng (1), acyl-CoA bò oxy-hoùa vôùi söï xuùc taùc cuûa acyl- CoA dehydrogenase maø coenzyme laø FAD. Trong phaûn öùng naøy caùc nguyeân töû H taïi caùc vò trí α- vaø β- ñöôïc FAD laáy ñi. Keát quaû laø hình thaønh moät daãn xuaát khoâng no enoyl-CoA. Tieáp theo, trong phaûn öùng (2) enoyl-CoA bò hydrate hoùa, trong ñoù nhoùm -OH ñöôïc gaén taïi vò trí β-, coøn nguyeân töû hydro - taïi vò trí α-. Keát quaû taïo ra L-β-oxyacyl-CoA. Trong phaûn öùng (3) chöùc röôïu taïi vò trí β- bò oxy-hoùa bôûi β- oxyacyl-CoA dehydrogenase vôùi coenzyme laø NAD+, daãn ñeán söï hình thaønh β- cetoacyl-CoA. Cuoái cuøng, trong phaûn öùng (4) vôùi söï xuùc taùc cuûa acyl-CoA-thiolase vaø moät phaân töû CoA-SH töï do maïch cetoacyl-CoA bò caét giöõa C-α vaø C-β ñeå taïo ra acetyl-CoA vaø moät acyl-CoA môùi ngaén hôn acyl-CoA ban ñaàu 2 nguyeân töû carbon. Noù laïi seõ tieáp tuïc bò oxy-hoùa theo traät töï 4 phaûn öùng treân ñeå taïo ra phaân töû acetyl- CoA thöù hai. Quaù trình naøy seõ tieáp tuïc cho ñeán khi toaøn boä phaân töû acyl-CoA vôùi 2n nguyeân töû carbon bò phaân giaûi thaønh n phaân töû acetyl-CoA. Qua traät töï caùc phaûn öùng treân ta thaáy cuøng vôùi vieäc ruùt ngaén moät ñôn vò acetyl-CoA (C2) töø phaân töû acid beùo cô cheá β-oxy-hoùa cho pheùp taïo ra moät phaân töû NAD.H vaø moät phaân töû FAD.H2. Moät phaân töû acetyl-CoA trong chu trình acid tricarboxylic seõ taïo ra theâm 1 ATP, 3 NAD.H vaø 1 FAD.H2. Trong chuoãi hoâ haáp toaøn boä soá coenzyme khöû naøy seõ taïo ra 16 phaân töû ATP. Nhö vaäy, 17 phaân töû ATP hình thaønh khi moät ñôn vò C2 cuûa acid beùo bò oxy-hoùa hoaøn toaøn thaønh khí carbonic vaø nöôùc. Maïch acid beùo caøng daøi thì trong β-oxy-hoùa caøng taïo ra nhieàu acetyl-CoA, vaø do ñoù khi bò oxy-hoùa hoaøn toaøn seõ saûn sinh ra caøng nhieàu naêng löôïng hôn. Tuy nhieân, acetyl-CoA sau khi hình thaønh coù theå khoâng bò oxy-hoùa tieáp tuïc theo chu trình acid tricarboxylic maø ñöôïc duøng cho caùc muïc ñích sinh toång hôïp theo traät töï caùc phaûn öùng cuûa chu trình glyoxilate. 2. Oxy-hoùa acid beùo no coù soá nguyeân töû carbon leû. Phaàn lôùn acid beùo chöùa trong caùc moâ cuûa cô theå ngöôøi, ñoäng vaät vaø thöïc vaät coù soá chaún nguyeân töû carbon vaø maïch carbon khoâng phaân nhaùnh. Tuy nhieân, trong moät soá vi sinh vaät vaø trong saùp thöôøng gaëp caùc acid beùo coù caáu truùc phaân nhaùnh, chuû yeáu bôûi caùc nhoùm CH3 (hình 6.1). Neáu möùc ñoä phaân nhaùnh khoâng nhieàu vaø taát caû caùc ñieåm phaân nhaùnh ñeàu naèm taïi vò trí chaún (tính töø ñaàu carboxyl) thì quaù trình β-oxy-hoùa xaûy ra bình thöôøng. Khi maïch acid beùo bò phaân huûy,beân caïnh acetyl-CoA coøn GS.TS. Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc taïo ra propionyl-CoA. Neáu caùc nhoùm methyl naèm taïi caùc vò trí leû thì quaù trình β-oxy-hoùa bò phong toûa sau khi thöïc hieän phaûn öùng acyl- CoA dehydrogenase. Trong tröôøng hôïp naøy neáu nhoùm methyl cuûa maïch nhaùnh naèm saùt ñaàu taän cuøng ñoái dieän thì seõ daãn ñeán söï hình thaønh -CoA. Söï chuyeån hoùa tieáp tuïc cuûa isovaleryl- CoA hieän nhôø traät töï ñöôïc thöïc hieän nhôø traät töï caùc phaûn öùng sau: CH3-CH-CH2-CO-S-CoA –––––––→ CH3-C=CH-CO-S-CoA ––––––→ CH3 CH3 4 3 2 1 -CH2-CH2-CH-CO-S-CoA CH3 β-oxy-hoùa daãn tôùi söï hình thaønh propionyl-CoA 4 3 2 1 -CH2-CH-CH2-CO-S-CoA CH3 β-oxy-hoùa bò phong toûa 4 3 2 1 CH3-CH-CH2-CO-S-CoA CH3 β-oxy-hoùa bò phong toaû vaø phaàn coøn laïi laø isovaleryl CoA Hình 6.1. Caùc kieåu phaân nhaùnh cuûa acid beùo vaø quan heä giöõa chuùng vôùi heä enzyme β-oxy-hoùa FAD FAD.H2 Biotin-COO- Biotin H2O –––––––––––––––––––––– CH3-C=CH-CO-S-CoA –––––––––→ CH2-COO- OH Acetyl-CoA + Acid acetoacetic ––→ CH3-C-CH2-CO-S-CoA NADP.H CH2-COO- Acid mevalonic Acid mevalonic laø saûn phaåm trung gian cuûa nhieàu quaù trình sinh toång hôïp, trong ñoù coù quaù trình sinh toång hôïp caùc hôïp chaát steroid. Söï chuyeån hoùa tieáp tuïc cuûa acid cetoacetic seõ ñöôïc xem xeùt sau. Propionyl-CoA hình thaønh trong quaù trình β-oxy-hoùa khoâng nhöõng caùc acid beùo coù maïch carbon phaân nhaùnh trong tröôøng hôïp moâ taû treân ñaây maø noùi chung caùc acid beùo coù soá leû nguyeân töû carbon. Ngoaøi ra, goác propionyl 3 carbon cuõng xuaát hieän khi phaân huûy caùc isoprenoid, caùc aminoacid isoleucine, threonine vaø methionine. Hôn nöõa, con ngöôøi coøn caàn söû duïng moät löôïng nhoû acid propionic voán coù maët trong moät soá thöïc phaåm. Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng 87 Hình 6.2. Caùc con ñöôøng dò hoùapropionate vaø propionyl-CoA. Propionate cuõng ñöôïc cho vaøo baùnh myø ñeå ngaên caûn söï phaùt trieån cuûa naám moác. Ñaëc bieät ñoái vôùi ñoäng vaät nhai laïi propionate laø moät nguoàn naêng löôïng quan troïng do noù ñöôïc vi khuaån phaân giaûi cellulose trong daï daøy taïo ra cuøng vôùi acetate vaø butyrate. Quaù trình dò hoùa propionyl-CoA vaø acid propionic coù theå xaûy ra theo caùc con ñöôøng moâ taû trong hình 6.2. 1/ Nhôø caùc phaûn öùng β-oxy-hoùa cuûa con ñöôøng (a) daãn ñeán söï hình thaønh daãn xuaát CoA cuûa semialdehyde malonic ñeå tieáp tuïc bò oxy hoùa thaønh malonyl-CoA vaø cuoái cuøng bò decarboxyl-hoùa thaønh acetyl-CoA. 2/ ÔÛ thöïc vaät vaø nhieàu vi sinh vaät β-Oxypropionyl-CoA voán hình thaønh trong caùc phaûn öùng β-oxy-hoùa khoâng chuyeån hoùa thaønh daãn xuaát CoA cuûa semialdehyde malonic maø theo con ñöôøng (b) bò thuûy phaân thaønh β-oxypropionate ñeå sau ñoù bò oxy-hoùa thaønh semialdehyde malonic roài töø ñoù theo ñoaïn cuoái cuøng cuûa con ñöôøng (a) chuyeån hoùa thaønh acetyl-CoA. 3/ Maëc duø β-oxy-hoùa laø moät con ñöôøng ñôn giaûn, ôû ñoäng vaät baäc cao coøn toàn taïi moät con ñöôøng (c) phöùc taïp hôn vôùi söï tham gia cuûa vitamine B12. Noù ñöôïc baét ñaàu baèng phaûn öùng carboxyl-hoùa propionate phuï thuoäc biotin vaø ATP. (S)-methylmalonyl-CoA hình thaønh trong phaûn öùng naøy sau ñoù chuyeån thaønh daïng ñoàng phaân (R)-methylmalonyl-CoA. Chaát naøy tieáp tuïc chuyeån hoùa thaønh succinyl-CoA vôùi söï tham gia cuûa vitamine B12 .Taùch CoA- SH ra khoûi succinyl-CoA seõ giaûi phoùng succinate töï do, ñoàng thôøi taïo ra moät phaân töû ATP ñeå buø laïi phaân töû ATP ñaõ söû duïng. Succinate baèng con ñöôøng β-oxy-hoùa bieán thaønh oxaloacetate roài bò decarboxyl-hoùa thaønh pyruvate. Cuoái cuøng baèng phaûn öùng decarboxyl- hoùa pyruvate seõ chuyeån hoùa thaønh acetyl-CoA. 3. β-Oxy-hoùa acid beùo khoâng no Acid beùo khoâng no cuõng bò phaân huûy chuû yeáu baèng con ñöôøng β-Oxy-hoùa vôùi söï tham gia cuûa hai enzyme boå sung (hình 6.3a). Ta haõy laáy acid linoleic laøm ví duï. Sau 3 voøng β-oxy hoùa, cuøng vôùi 3 phaân töû acetyl-CoA seõ xuaát hieän ∆3,4- cis-∆6,7-cis-enoyl-CoA. Moät isomerase ñaëc hieäu (∆3-cis-∆3-trans-enoyl-CoA isomerase) chuyeån daãn xuaát khoâng no naøy thaønh ∆-2,3-trans-∆-6,7- cis-enoyl-CoA, taïo ñieàu kieän ñeå β-oxy-hoùa tieáp tuïc ñöôïc thöïc hieän. Caét tieáp 2 phaân töû acetyl-CoA nöõa seõ daãn deán tình traïng laø lieân keát ñoâi thöù hai vôùi caáu hình cis- chuyeån tôùi vò trí ∆2,3 . Enzyme enoyl-CoA hydratase cuûa β-oxy-hoùa gaén theâm phaân töû nöôùc vaøo chaát naøy, laøm xuaát hieän β-oxyacyl-CoA vôùi caáu hình D. Nhôø moät epimerase ñaëc hieäu noù ñöôïc chuyeån thaønh daïng L ñeå β-oxyhoùa laïi ñöôïc tieáp tuïc. 87 Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng 88 huûy acid beùo ñöôïc thöïc hieän chuû yeáu baèng con ñö teá baøo thöïc vaät, ñaëc bieät laø trong haït naåy maàm ox heo cô cheá α-oxy-hoùa, töùc baèng caùch taùch laàn löô øy chöa ñöôïc saùng toû, nhöng ngöôøi ta bieát ñöôïc raè xyl-hoùa carbon - ñeå taïo ra D- hoaëc L-oxyacid (h a deã daøng coù leõ baèng con ñöôøng dehydrogen-hoùa ñe -hoùa chaát naøy vôùi söï tham gia cuûa H2O2. Trong kh ø thöôøng coù maët trong laù xanh. Tuy nhieân chuùng cu ân töû hydro coù daáu (*). Ñieàu ñoù cho thaáy coù moät co ñoàng thôøi vôùi quaù trình decarboxyl-hoùa. . Hình 6.3b α-Oxyhoùa acid beùo xaûy ra trong caùc moâ ñoäng vaät, ñaëc bieät laø trong na phong toûa do caùc nhoùm -CH3 trong maïch nhaùnh thì å khaéc phuïc söï phong toûa naøy. ch hy Tr Trong caùc moâ ñoäng vaät quaù trình phaân ôøng β- oxy- hoùa. Tuy nhieân trong caùc y-hoùa acid beùo thöôøng ñöôïc thöïc hieän t ït caùc ñoaïn 1C. Chi tieát cuûa cô cheá na ng giai ñoaïn ñaàu cuûa noù thöôøng laø hydro ình 6.3b). L-2-Oxyacid tieáp tuïc bò oxy-hoù å taïo ra α-cetoacid vaø sau ñoù decarboxyl i ñoù D-oxyaxid coù xu höôùng tích luõy va õng coù theå bò oxy-hoùa nhöng giöõ laïi nguye n ñöôøng dehydrogen-hoùa khaùc voán xaûy ra Hình 6.3a. β-Oxyhoùa acid beùo khoâng no α-Oxy-hoùa ôû möùc ñoä naøo ñoù cuõng õo. Trong nhöõng tröôøng hôïp β-oxy-hoùa bò α-oxy-hoùa seõ laø moät con ñöôøng voøng ñe Caùc acid beùo coù chieàu daøi trung bình, vaø trong moät soá tröôøng hôïp, caùc acid beùo coù uoãi carbon daøi hôn coù theå traûi qua quaù trình ω-oxy-hoùa ñeå taïo ra caùc daãn xuaát α,ω- droxyacid; nhöõng daãn xuaát naøy sau ñoù thöôøng chuyeån hoùa thaønh caùc acid dicarboxylic. aät töï caùc phaûn öùng naøy ñöôïc thöïc hieän vôùi söï xuùc taùc cuûa caùc enzyme trong vi theå cuûa 88 Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng 89 gan maø enzyme ñaàu tieân laø moät monooxygenase maø hoaït ñoäng cuûa noù caàn söï tham gia cuûa NADP, O2 vaø cytochrome P450. Sau khi hình thaønh, nhöõng acid dicarboxylic naøy coù theå bò caét ngaén töø moät trong hai ñaàu cuûa chuùng baèng cô cheá β-oxy-hoùa. 4. Theå cetone. Khi acid beùo coù soá chaün nguyeân töû carbon bò phaân huûy baèng con ñöôøng β-oxy-hoùa thì saûn phaåm trung gian cuoái cuøng tröôùc khi chuyeån hoùa hoaøn toaøn thaønh acetyl-CoA laø hôïp chaát 4C acetoacetyl-CoA: O CH3 - C - CH2 - C - S-CoA O Trong cô theå chaát naøy laø moät saûn phaåm trung gian quan troïng vaø coù leõ toàn taïi treân moät theá caân baèng vôùi acetyl-CoA. Noù khoâng chæ coù theå bò phaân giaûi thaønh 2 phaân töû acetyl- CoA ñeå ñi vaøo chu trình acid tricarboxylic maø coøn laø moät chaát tieàn thaân quan troïng trong quaù trình toång hôïp caùc hôïp chaát isoprenoid, trong ñoù coù cholesterol. Ngoaøi ra, acid acetoacetic cuõng coù yù nghóa raát quan troïng vì laø moät trong caùc thaønh phaàn cuûa maùu. Khi caàn thieát, noù seõ bò decarboxyl-hoùa thaønh acetone nhôø acetoacetate decarboxylase: O O CH3 - C- CH2 - COO- + H+ –––→ CH3 - C - CH3 + CO2 Noù cuõng coù theå bò khöû nhôø moät dehydrogenase phuï thuoäc NAD.H thaønh acid L-3- oxybutyric. Caàn löu yù laø caáu hình cuûa chaát naøy ngöôïc vôùi caáu hình cuûa D-3-oxybutyryl-CoA voán hình thaønh trong quaù trình β-oxy-hoùa acid beùo. Taát caû 3 hôïp chaát: acetoacetate, acetone vaø 3-oxybutyrate ñeàu coù teân chung laø theå xetone. Noàng ñoä cuûa chuùng trong maùu taêng ñaùng keå trong nhieàu tröôøng hôïp beänh lyù khaùc nhau, ñaëc bieät laø khi bò beänh tieåu ñöôøng, cuõng nhö khi nhòn ñoùi. Vieäc taêng noàng ñoä caùc theå cetone raát nguy hieåm ñoái vôùi cô theå vì noù keøm theo hieän töôïng giaûi phoùng ion H+, laøm cho maùu bò acid-hoùa. Maët khaùc, acetoacetate vaø oxybutyrate laø nhöõng nguoàn naêng löôïng quan troïng cho hoaït ñoäng cuûa cô vaø caùc moâ khaùc trong nhöõng tröôøng hôïp thieáu glucid. Ñeå söû duïng theå cetone laøm nguoàn naêng löôïng, caàn phaûi chuyeån hoùa chuùng thaønh acetyl-CoA: NAD+ NAD.H + H+ L-3-Oxybutyrate ––––––––––––––––– Acetoacetate Succinyl-CoA succinate 2 Acetyl-CoA <–––––––––––––––– Acetoacetyl-CoA 89 Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng 90 5. Söû duïng lipid döï tröõ cho muïc ñích sinh toång hôïp. Chu trình glyoxylate. Glycerol vaø acid beùo töï do hình thaønh trong quaù trình thuûy phaân lipid döï tröõ trong haït coù daàu khi chuùng naåy maàm thöôøng ñöôïc duøng ñeå toång hôïp glucid vaø caùc hôïp chaát khaùc. Quaù trình naøy ñöôïc thöïc hieän thoâng qua chu trình glyoxylate, bieán daïng cuûa chu trình acid tricar-boxylic, sau khi glycerol vaø acid beùo baèng caùc con ñöôøng rieâng cuûa mình bieán thaønh acetyl-CoA (hình 6.4). Söï khaùc bieät giöõa chu trình glyoxylate vaø chu trình acid tricarboxylic bao goàm caùc phaûn öùng ñöôïc ñoùng khung trong hình 6.4. Isocitrate nhôø isocitratase phaân giaûi thaønh succinate vaø glyoxylate. Glyoxylate sau ñoù keát hôïp vôùi phaân töû acetyl-CoA thöù hai vôùi söï xuùc taùc cuûa malate synthase ñeå toång hôïp neân malate. Trong khi ñoù succinate ñöôïc ñöa ra khoûi chu trình ñeå ñöôïc duøng cho caùc muïc ñích sinh toång hôïp. ÔÛ ñoäng vaät baäc cao khoâng toàn taïi chu trình naøy, trong khi ñoù vai troø cuûa noù ôû thöïc vaät laïi raát quan troïng. Hình 6.46. Chu trình glyoxilate Caùc enzyme cuûa chu trình glyoxylate, ñaëc bieät laø isocitratase vaø malate synthase, ñònh vò trong glyoxysome - moät baøo quan chæ ñöôïc phaùt hieän ôû thöïc vaät trong nhöõng teá baøo coù khaû naêng bieán lipid thaønh glucid. Taïi ñaây khoâng coù caùc enzyme vaän chuyeån ñieän töû vaø phaàn lôùn caùc enzyme cuûa chu trình acid tricarboxylic. 90 Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng 91 II. SINH TOÅNG HÔÏP ACID BEÙO. 1. Sinh toång hôïp acid beùo no. Acid beùo no ñöôïc toång hôïp trong teá baøo nhôø söï xuùc taùc cuûa moät heä thoáng enzyme gaén lieàn vôùi moät chaát mang acyl ñaëc hieäu coù teân laø acyl carier protein, thöôøng ñöôïc kyù hieäu laø ACP, hay ACP-SH ñeå löu yù söï toàn taïi cuûa nhoùm -SH trong phaân töû cuûa noù. Hình 6.5. Sô ñoà sinh toång hôïp acid beùo no 91 Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng 92 Hình 6.6. Phöùc heä multienzyme synthetase acid beùo trong teá baøo euxcaryote Nguyeân lieäu ñeå toång hôïp acid beùo laø acetyl-CoA voán hình thaønh trong ty theå do β- oxy-hoùa acid beùo hoaëc do decarboxyl-hoùa acid pyruvic hoaëc töø moät soá nguoàn khaùc. Caùc phaân töû acetyl-CoA ñöôïc vaän chuyeån ra teá baøo chaát nhôø keát hôïp vôùi oxaloacetate ñeå taïo ra citrate. Chaát naøy ra khoûi ty theå nhôø moät cô cheá vaän chuyeån ñaëc bieät ñeå roài laïi bò phaân giaûi thaønh acetyl-CoA vaø oxaloacetate nhôø moät enzyme phuï thuoäc ATP. Maëc duø nguyeân lieäu ñeå toång hôïp acid beùo laø acetyl-CoA, song tröôùc heát noù caàn ñöôïc carboxyl-hoùa thaønh malonyl-CoA nhôø acetyl-CoA carboxylase: CH3-C-S-CoA + CO2 + ATP → HOOC-CH2-C-S-CoA + AMP + PPi O O Sau ñoù quaù trình sinh toång hôïp acid beùo ñöôïc baét ñaàu baèng traät töï 6 phaûn öùng moâ taû trong hình 6.5. Trong caùc phaûn öùng (1) vaø (2) acetyl-CoA vaø malonyl-CoA nhôø caùc enzyme vaän chuyeån töông öùng acetyl transacylase vaø malonyl trans-acylase chuyeån hoùa thaønh acetyl- ACP vaø malonyl-ACP. Hai chaát naøy trong phaûn öùng (3) keát hôïp vôùi nhau nhôø β-cetoacyl- ACP synthetase thaønh saûn phaåm 4C acetoacetyl-ACP, ñoàng thôøi giaûi phoùng CO2. Acetoacetyl-ACP döôùc taùc duïng cuûa β-cetoacyl-ACP reductase vôùi coenzyme laø NADP.H bò khöû trong phaûn öùng (4) thaønh D-β-oxy- butyryl-ACP. (Caàn löu yù raèng trong β-oxy-hoùa β-oxybutyryl-CoA coù caáu hình L). Trong phaûn öùng (5) vôùi söï xuùc taùc cuûa enoyl-ACP hydratase – β-oxybuty- ryl-ACP bò dehydrate-hoùa thaønh saûn phaåm khoâng no crotonyl-ACP. Cuoái cuøng, trong phaûn öùng (6) xuùc taùc bôûi crotonyl-ACPreductase vôùi coenzyme laø NADP.H crotonyl-ACP seõ bò khöû thaønh butyryl-ACP. Butyryl-ACP laïi keát hôïp vôùi 92 Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng 93 malonyl-ACP theo cô cheá cuûa phaûn öùng (3) vaø quaù trình ñöôïc laëp laïi nhö treân, laøm cho phaân töû acid beùo noái daøi theâm moät ñoaïn 2 carbon nöõa, taïo ra moät acyl-ACP chöùa 6 carbon (C6 ). Khi phaân töû acyl-ACP ñaït ñöôïc chieàu daøi caàn thieát, ACP-SH seõ ñöôïc taùch khoûi goác acid beùo nhôø enzyme thuûy phaân deacylase. Trong phöùc heä multienzyme toång hôïp acid beùo cuûa teá baøo eucaryote ACP-SH chieám vò trí trung taâm vaø tieáp xuùc tröïc tieáp vôùi 6 enzyme coøn laïi (hình 6.6). Coenzyme cuûa ACP- SH bao goàm phospho-pantotenate vaø β-mercaptoethylamin. Thoâng qua goác phosphate cuûa phosphopantotenate, coenzyme naøy lieân keát ester vôùi goác serine cuûa chuoãi polypeptide (ÔÛ E. coli chuoãi polypeptide naøy chöùa 77 goác aminoacid vaø goác serine thöù 36 gaén vôùi coenzyme). Trong khi ñoù nhoùm -SH cuûa mercaptoethylamine lieân keát vôùi cô chaát vaø vôùi caùc saûn phaåm trung gian trong quaù trình sinh toång hôïp. Baèng caùch ñoù caùc coenzyme cuûa ACP- SH laøm nhieäm vuï nhö moät caùnh tay ñeå chuyeån giao caùc saûn phaåm trung gian töø enzyme naø ñeán enzyme khaùc. Caùc saûn phaåm trung gian nhôø lieân keát khaù chaët cheõ vôùi nhoùm -SH taän cuøng cuûa ACP neân khoâng bò chi phoái bôûi caùc quaù trình trao ñoåi chaát khaùc trong baøo töông maø taïi ñoù quaù trình sinh toång hôïp acid beùo ñöôïc thöïc hieän. Trong teá baøo E. coli vaø vi khuaån noùi chung caùc enzyme cuûa heä thoáng synthetase acid beùo chæ thöïc hieän chöùc naêng xuùc taùc moät caùch rieâng leû. Toác ñoä sinh toång hôïp acid beùo trong teá baøo coù leõ ñöôïc ñieàu hoøa bôûi toác ñoä hình thaønh triacylglycerine vaø glycerophospholipid, vì acid beùo töï do khoâng tích luõy trong teá baøo vôùi haøm löôïng cao. Beân caïnh cô cheá treân ñaây coøn toàn taïi moät soá cô cheá khaùc, chuû yeáu ñeå noái daøi theâm maïch acid beùo saün coù 12-16 nguyeân töû carbon: 1/ Trong ty theå maïch carbon cuûa acyl-CoA ñöôïc noái daøi baèng caùch keát hôïp vôùi acetyl-CoA theo cô cheá ngöôïc vôùi β-oxy-hoùa, tröø phaûn öùng hydrogen-hoùa lieân keát ñoâi xaûy ra vôùi söï tham gia cuûa NADP.H chöù khoâng phaûi cuûa FAD.H2. Heä enzyme naøy cuûa ty theå cuõng coù theå noái daøi maïch carbon cuûa acid beùo khoâng no. 2/ Trong vi theå toàn taïi moät heä thoáng enzyme khaùc xuùc taùc quaù trình noái daøi maïch carbon cuûa acid beùo no vaø khoâng no baèng caùch gaén theâm caùc goác acetyl töø malonyl-CoA. Phaûn öùng hydrogen-hoùa lieân keát ñoâi ôû ñaây cuõng ñöôïc thöïc hieän nhôø NADP.H. Ñeå toång hôïp caùc acid beùo coù soá nguyeân töû carbon leû, propionyl- ACP seõ thay theá cho acetyl-ACP tham gia phaûn öùng (3) vôùi malonyl- ACP. Trong khi ñoù, neáu thay cho acetyl- ACP laø caùc saûn phaåm dò hoùa cuûa valine, leucine vaø isoleucine, ví duï isobutyryl-ACP, isovaleryl-ACP vaø α- methylbutyryl-ACP, thì maïch acid beùo ñöôïc toång hôïp seõ coù caáu truùc phaân nhaùnh taïi ñaàu CH3 taän cuøng, töông töï nhö caáu truùc phaân nhaùnh cuûa chính nhöõng aminoacid naøy. Trong tröôøng hôïp methylmalonyl-ACP thay cho malonyl-ACP trong phaûn öùng (3) thì caáu truùc phaân nhaùnh ôû daïng caùc nhoùm methyl seõ coù maët taïi caùc khu vöïc khaùc nhau cuûa maïch acid beùo. 2. Sinh toång hôïp acid beùo khoâng no. ÔÛ caùc sinh vaät khaùc nhau coù caùc con ñöôøng khaùc nhau daãn ñeán söï hình thaønh lieân keát ñoâi trong acid beùo khoâng no. Lieân keát ñoâi coù theå hình thaønh ngay trong quaù trình taêng tröôûng maïch carbon hoaëc sau khi quaù trình taêng tröôûng keát thuùc (hình 6.7). 93 Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng 94 ÔÛ E. coli vaø caùc vi khuaån töông töï voán soáng trong ñieàu kieän kî khí quaù trình toång hôïp acid beùo khoâng no ñöôïc thöïc hieän baèng caùch taïo lieân keát ñoâi ôû giai ñoaïn hình thaønh β- oxydecanoyl-ACP chöùa 10 nguyeân töû carbon. Döôùi taùc duïng cuûa β- oxydecanoyl-thioester dehydratase nhoùm β-hydroxyl ñöôïc loaïi boû ñeå taïo lieân keát ñoâi vôùi caáu hình ∆-3,4-cis- (chöù khoâng phaûi ∆-2,3-trans- nhö xaûy ra trong phaûn öùng (5) cuûa sinh toång hôïp acid beùo no). Sau ñoù nhôø heä enzyme synthetase acid beùo maïch carbon tieáp tuïc taêng tröôûng ñeå taïo ra palmitooeyl-ACP (C16) hoaëc varsenoyl-ACP (C18) voán raát phoå bieán trong nhoùm teá baøo naøy. Hình 29. Sinh toång hôïp caùc acid beùo khoâng no. Ngöôøi ta cho raèng ôû ñoäng vaät, thöïc vaät vaø phaàn lôùn vi sinh vaät hieáu khí acid beùo khoâng no chöùa moät lieân keát ñoâi ñöôïc hình thaønh töø caùc daãn xuaát coenzyme A cuûa acid beùo no nhôø moät loaïi oxygenase ñaëc bieät ñònh vò trong vi theå. Ví duï: Palmitoyl-CoA + NADP.H + H+ ⎯→ Palmitooleyl-CoA + NADP+ + H2O 94 Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng 95 Tính chaát ñaëc bieät cuûa phaûn öùng theå hieän ôû choã phaân töû oxy ñöôïc duøng laøm chaát nhaän hai caëp ñieän töû: moät caëp töø cô chaát vaø moät caëp töø coenzyme. Nhöõng enzyme loaïi naøy ñöôïc goïi laø "oxygenase coù chöùc naêng hoãn hôïp". Acid beùo chöùa nhieàu lieân keát ñoâi hình thaønh töø stearoyl-CoA. Trong teá baøo chaát cuûa ñoäng vaät vaø thöïc vaät töø stearoyl-CoA taïo ra oleoyl-CoA. Sau ñoù töø axit beùo khoâng no coù moät lieân keát ñoâi naøy vôùi söï tham gia cuûa NADP.H, feredoxin vaø O2 taïo ra linoleoyl-CoA vaø linolenoyl-CoA cuõng nhö caùc acid beùo coù nhieàu lieân keát ñoâi hôn. ôû ñoäng vaät oleoyl-CoA khoâng chuyeån hoùa ñöôïc thaønh linoleoyl-CoA, vì vaäy caùc acid beùo khoâng no chöùa nhieàu lieân keát ñoâi nhö acid linoleic,acid linolenic, acid arachidonic khoâng ñöôïc toång hôïp trong cô theå cuûa chuùng vaø do ñoù nhöõng acid beùo naøy ñöôïc goïi laø "acid beùo khoâng thay theá", hay vitamin F. III. SINH TOÅNG HÔÏP TRIACYLGLYCERIN. Triacylglycerin ñöôïc toång hôïp töø L-glycerol-3-phosphate vaø caùc daãn suaát Coenzyme A cuûa acid beùo. Glycerol-3-phosphate ñöôïc hình thaønh töø hai nguoàn khaùc nhau: 1/ Khöû dioxyacetonephosphate do glycerophosphate dehydrogenase xuùc taùc: Dioxyacetonephosphate + NAD.H+H+ → Glycerol-3-phosphate + NAD+ 2/ phosphoryl-hoùa glycerol nhôø glycerokinase: Glycerol + ATP –––→ Glycerol-3-phosphate + ADP Giai ñoaïn ñaàu cuûa quaù trình sinh toång hôïp triacylglycerin laø phaûn öùng toång hôïp acid phosphatidic: CH2OH O O H2 - C – O – C - R1 HO-C-H + R1-C-S-CoA + R2-C-S-CoA ––> R2 -C- O – C - H O + 2CoA-SH CH2O-(P) O H2C – O - (P) (Glycerophosphate) (Acid phosphatidic) ÔÛ moät soá vi sinh vaät, ví duï E. coli, acid beùo tham gia phaûn öùng treân ôû daïng daãn xuaát cuûa ACP-SH. Nhôø moät phosphatase ñaëc hieäu acid phosphatidic loaïi boû goác phosphate ñeå trôû thaønh diacylglycerin. Cuoái cuøng, chaát naøy gaén theâm goác acid beùo thöù ba ñeå taïo ra triacylglycerin. Triacylglycerin ñöôïc toång hôïp vaø tích luõy trong caùc moâ döï tröõ cuûa ñoäng vaät vaø thöïc vaät. Trong cô theå ñoäng vaät quaù trình tích luõy naøy ñöôïc ñaåy maïnh khi thöùc aên coù haøm löôïng glucid caùo. Trong tröôøng hôïp ñoù haøm löôïng glucose trong maùu taêng leân vaø ñoàng thôøi taêng möùc ñoä döï tröõ glycogen trong teá baøo. Haøm löôïng ATP cuõng taêng leân, gaây öùc cheá chu trình acid tricarboxylic. Keát quaû laø acid citric bò ñöa ra khoûi ty theå vaø bò phaân giaûi döôùi taùc duïng cuûa enzyme citrate liase phuï thuoäc ATP: Citrate + CoA-SH + ATP –––→ Oxaloacetate + Acetyl-CoA + ADP + Pi Oxaloacetate coù theå bò khöû thaønh malate vaø sau ñoù bò oxy-hoùa vaø decarboxyl-hoùa thaønh acid pyruvic roài xaâm nhaäp laïi vaøo ty theå; coøn acetyl-CoA ñöôïc söû duïng ñeå toång hôïp acid beùo vaø sau ñoù cuøng vôùi glycerol-3- phosphate toång hôïp lipid döï tröõ, laøm cho quaù trình tích luõy môõ ñöôïc taêng cöôøng. 95 Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng 96 Quaù trình tích luõy môõ coøn ñöôïc thuùc ñaåy do acid citric coù taùc duïng hoaït hoùa enzyme acetyl-CoA carboxylase. Insulin cuõng coù taùc duïng thuùc ñaåy quaù trình tích luõy môõ do noù laøm taêng hoaït tính cuûa heä enzyme toång hôïp lipid, ñaëc bieät laø enzyme citrate liase phuï thuoäc ATP. Ngoaøi ra, thoâng qua taùc duïng öùc cheá söï hình thaønh AMP voøng noù ngaên caûn quaù trình huy ñoäng môõ döï tröõ. 96 Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng 97 CHÖÔNG 7. MAØNG SINH HOÏC VAØ SÖÏ VAÄN CHUYEÅN VAÄT CHAÁT QUA MAØNG Teá baøo soáng ñaàu tieân xuaát hieän cuøng vôùi söï hình thaønh maøng ngaên caùch giöõa chuùng vôùi moâi tröôøng xung quanh. Heä thoáng maøng naøy laø nôi dieãn ra quaù trình bieán ñoåi naêng löôïng vaø trao ñoåi tín hieäu sinh hoïc giöõa caùc teá baøo vôùi nhau vaø giöõa chuùng vôùi moâi tröôøng xung quanh. Heä thoáng maøng sinh hoïc naøy tuy chaéc chaén nhöng laïi ñaøn hoài, coù khaû naêng töï söûa chöõa vaø coù tính thaám choïn loïc ñoái vôùi caùc chaát hoøa tan phaân cöïc. Chuùng khoâng chæ ñôn thuaàn laø raøo caûn baûo veä teá baøo maø coøn tham gia vaøo nhieàu quaù trình quan troïng nhö vaän chuyeån tích cöïc coù choïn loïc vaát chaát qua maøng, bieán ñoåi naêng löôïng sinh hoïc, thu nhaän tín hieäu ngoaïi baøo vaø bieán ñoåi chuùng thaønh tín hieäu noäi baøo. I. THAØNH PHAÀN CAÁU TAÏO CUÛA MAØNG TEÁ BAØO. Protein vaø lipid phaân cöïc laø hai thaønh phaàn chuû yeáu cuûa maøng teá baøo. Tuy nhieân söï keát hôïp vaø thaønh phaàn tæ leä giöõa chuùng khaùc nhau ôû töøng cô theå, teá baøo, moâ vaø cô quan. Söï khaùc nhau naøy phaûn aùnh vai troø sinh hoïc ñaëc hieäu cuûa töøng loaïi maøng. Ví duï thaønh phaàn voû myelin boïc daây thaàn kinh chuû yeáu laø lipid, trong khi maøng vi khuaån, ty theå vaø luïc laïp laø nôi xaûy ra caùc quaù trình chuyeån hoùa vaät chaát laïi chöùa nhieàu protein hôn. Moät soá protein maøng lieân keát hoùa trò vôùi lipid thoâng qua maïch beân cuûa caùc goác aminoacid Gly, Ser, Thr vaø Cys hoaëc caàu noái glycan. Trong tröôøng hôïp naøy phaân töû lipid ñoùng vai troø laøm neo kî nöôùc giöõ phaân töû protein trong maøng. Moät soá phaân töû protein maøng khaùc noái vôùi polysaccharide taïo phöùc heä glycoprotein raát phoå bieán treân maët maøng teá baøo, nhöng khoâng coù treân maøng noäi baøo nhö maøng ty theå luc laïp. v.v... Protein maøng thöôøng noái vôùi polysaccharide baèng lieân keát hoùa trò vôùi maïch beân cuûa caùc goác aminoacid Ser, Thr vaø Asn. II. CAÁU TRUÙC PHAÂN TÖÛ CUÛA MAØNG TEÁ BAØO. Coù nhieàu moâ hình giaû thuyeát veà caáu taïo maøng sinh hoïc vaø taát caû ñeàu döïa vaøo ñieåm xuaát phaùt chung laø caáu truùc lôùp ñoâi cuûa maøng sinh hoïc. Ñoä daøy cuûa maøng sinh hoïc thöôøng thay ñoåi töø 5 ñeán 8 nm, trong ñoù lôùp lipid daøy khoaûng 3 nm. Maøng lipid laø maøng baát ñoái xöùng, coù tæ leä thaønh phaàn lipid maët ngoaøi vaø maët trong khaùc nhau. Ñieàu naøy chöùng toû chuùng coù vai troø sinh hoïc khaùc nhau (hình 30). 1. Maøng lipid luoân chuyeån ñoäng. Maëc duø caáu truùc lôùp ñoâi töï noù laø caáu truùc oån ñònh nhöng töøng phaân töû phospholipid vaø sterol trong thaønh phaàn cuûa maøng vaãn di chuyeån töï do giöõa chuùng vôùi nhau vaø quay quanh truïc boä khung carbon cuûa ñuoâi acid beùo. Taát caû taïo neân söï di ñoäng trong töøng lôùp rieâng bieät cuûa maøng sinh hoïc. Möùc ñoä loûng cuûa maøng sinh hoïc phuï thuoäc vaøo thaønh phaàn maøng lipid vaø nhieät ñoä cuûa moâi tröôøng chung quanh. ÔÛ nhieät ñoä thaáp haàu nhö khoâng coù söï di ñoäng, luùc naøy maøng coù caáu truùc gioáng nhö caáu truùc maïng tinh theå. Khi nhieät ñoä gia taêng quaù ngöôõng nhaát ñònh naøo ñoù, maøng lipid baét ñaàu di ñoäng (baét ñaàu loûng hôn). Ngöôõng nhieät ñoä treân ñöôïc goïi laø nhieät ñoä chuyeån traïng thaùi vaø trong thöïc teá nhieät ñoä naøy khaùc nhau tuyø töøng loaïi maøng. Maøng lipid chöùa caøng nhieàu ñuoâi acid beùo no thì caøng coù nhieät ñoä chuyeån traïng 97 Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng 98 thaùi caøng cao. Ngöôïc laïi, caøng chöùa nhieàu ñuoâi acid beùo khoâng no caøng coù nhieät ñoä chuyeån traïng thaùi thaáp hôn. Hình 30. Moâ hình caáu truùc maøng sinh hoïc (Chuù yù: Ñaàu phaân töû protein treân maët ngoaøi cuûa maøng chöùa nhieàu ñuoâi oligosaccharide ñoùng vai troø caàu noái tieáp xuùc vaø vaän chuyeån thoâng tin giöõa caùc teá baøo) Thaønh phaàn sterol cuûa maøng cuõng aûnh höôûng tôùi nhieät ñoä chuyeån traïng thaùi vì caáu truùc cöùng nhaéc cuûa voøng sterol naèm xen keõ giöõa caùc ñuoâi acid beùo coù hai taùc duïng traùi ngöôïc nhau. ÔÛ nhieät ñoä thaáp hôn nhieät ñoä chuyeån traïng thaùi thì caáu truùc cöùng nhaéc cuûa sterol naèm xen keõ vaø laøm xaùo troän söï saép xeáp traät töï caùc ñuoâi acid beùo vaø coù taùc duïng laøm loûng maøng sinh hoïc, ngaên caûn söï hình thaønh maïng tinh theå. Ngöôïc laïi, ôû nhieät ñoä cao hôn nhieät ñoä chuyeån traïng thaùi thì chính caáu truùc naøy laïi caûn trôû söï di ñoäng thaùi quaù cuûa caùc ñuoâi acid beùo vaø laøm chaäm quaù trình hoùa loûng cuûa maøng. Ngoaøi hai kieåu di chuyeån treân, maøng sinh hoïc coøn coù kieåu di chuyeån thöù ba: ñoù laø söï vaän chuyeån lipid töø lôùp lipid ñôn naøy sang lôùp lipid ñôn ñoái dieän cuûa maøng. Kieåu vaän chuyeån naøy coøn ñöôïc goïi laø khueách taùn ñoái chuyeån “flip-flop” (flip-flop diffusion) Trong kieåu vaän chuyeån naøy ñaàu phaân cöïc vaø ñoâi khi caû ñaàu mang ñieän cuûa phaân töû lipid di chuyeån qua lôùp kî nöôùc sang lôùp lipid ñoái dieän. Ña soá caùc tröôøng hôïp di chuyeån kieåu naøy ñeàu caàn naêng löôïng. Hieän töôïng naøy thöôøng xuyeân xaûy ra trong thôøi gian toång hôïp maøng teá baøo. 2. Protein maøng naèm xen qua maøng vaø taïo khe treân maøng. Trong thöïc teá ngoaøi moät soá protein baùm treân maët maøng lipid lôùp ñoâi, coù moät soá phaân töû protein khaùc naèm xen keõ vaø xuyeân qua maøng. Coù leõ chuùng ñoùng vaøi troø laøm phöông tieän vaän chuyeån vaät chaát vaø truyeàn tín hieäu quan maøng Phaân tích thaønh phaàn aminoacid cuûa nhöõng protein naøy cho thaáy quy luaät laø ñaàu –NH2 naèm ôû maët ngoaøi cuûa maøng vaø thöôøng gaén vôùi oligosaccharide (coù leõ ñeå nhaän tín hieäu ngoaïi baøo). Ñaàu –COOH naèm ôû maët beân trong maøng. Caû hai ñaàu –NH2 vaø –COOH ñeàu chöùa raát nhieàu aminoacid phaân cöïc hoaëc mang ñieän, coù nghóa laø caû ñaàu ngoaøi vaø ñaàu trong cuûa phaân töû protein maøng ñeàu coù tính öa nöôùc cao. Ngöôïc laïi, phaàn phaân töû protein xuyeân maøng naèm giöõa hai lôùp lipid laïi chuû yeáu chöùa caùc aminoacid khoâng phaân cöïc coù tính kî 98 Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng 99 nöôùc cao gioáng phaàn lipid kî nöôùc naèm xung quanh (hoaøn toaøn hôïp quy huaät vaø coù leõ ñaây cuõng laø keát quaû cuûa quaù trình choïn loïc töï nhieân). Do tính chaát ñaëc hieäu cuûa maøng sinh hoïc lieân quan chuû yeáu ñeán söï phaân boá protein maøng, neân noù ñöôïc nghieân cöùu khaù kyõ löôõng (maëc duø nghieân cöùu protein maøng laø vieäc khoù khaên) (hình 31). a/ protein maøng coù söï ñònh höôùng baát ñoái xöùng. Khaùc vôùi thaønh phaàn lipid, protein maøng khoâng di ñoäng thay ñoåi töø maët naøy sang maët kia cuûa maøng lôùp ñoâi, maø saép xeáp baát ñoái xöùng gaén vôùi caùc goác ñöôøng (trong tröôøng hôïp glycopotein) naèm treân maët ngoaøi maøng. Söï saép xeáp protein maøng baát ñoái xöùng truøng hôïp vôùi chöùc naêng hoaït ñoäng baát ñoái xöùng cuûa noù (thí duï, bôm ion maøng chæ bôm theo moät höôùng xaùc ñònh). b/ protein maøng khoâng tan trong nöôùc. Coù hai looïai protein maøng: protein trong maøng (intergral protein) vaø protein ngoaøi maøng (periphery protein). Protein ngoaøi maøng lieân keát loûng leûo treân maët maøng vaø deã bò taùch, trong khi protein trong maøng lieân keát chaët cheõ vôùi maøng neân khoù bò taùch chieát keå caû baèng chaát hoaït ñoäng beà maët, baèng dung moâi höõu cô hoaëc baèng caùch laøm bieán tính protein. Sôû dó protein trong maøng khoù tan vì chöùa nhieàu caùc goác aminoacid kî nöôùc. Nhôø caùc goác aminoacid naøy maø protein trong maøng gaén chaët vôùi maøng. Hình 31. Söï saép seáp cuûa protein xuyeân maøng. c/ Moät soá protein trong maøng taïo khe vaän chuyeån xuyeân maøng. Veà toång theå protein trong maøng chöùa nhieàu aminoacid kî nöôùc. Caùc aminoacid naøy coù khi saép xeáp xen keõ xuyeân maøng ôû daïng sôïi ñôn (thí duï glycoprotein). Nhöng cuõng raát phoå bieán protein trong maøng chöùa nhieàu ñoaïn peptid xuyeân maøng laëp ñi laëp laïi nhieàu laàn laøm daõn maøng vaø taïo khe trong maøng. Ñieån hình nhaát laø protein trong maøng bacteriorhodopsin taùch töø maøng vi khuaån Halobacterium halobium coù tôùi 7 ñoaïn peptid ôû daïng xoaén α. Caùc ñoaïn peptid treân laëp laïi 7 laàn, neân maøng lipid lôùp ñoâi doaõng ra taïo khe vaän chuyeån protein qua maøng (hình 32) 99 Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng 100 Hình 32. Maët caét sôïi polypeptide bacteriorhodopsin chæ roõ 7 xoaén α xuyeân maøng taïo khe vaän chuyeån 3. Söï lai gheùp maøng coù maët trong nhieàu quaù trình sinh hoïc. Trong thöïc teá, protein maøng maèm xen keõ vaø thay ñoåi vò trí töông ñoái cuûa noù nhôø söï di ñoäng tröôït xen nhau giöõa chuùng vaø thaønh phaàn lipid. Cô cheá naøy laø cô sôû cuûa hieän töôïng gheùp maøng luoân xaûy ra trong caùc quaù trình taùi toå chöùc laïi maøng cuõng nhö trong moät soá hoaït ñoäng chöùc naêng nhö: taïo choài töø boä maùy Golgi, quaù trình nhaäp baøo (endositosis), thoaùt baøo (exocytosis), lai tröùng vaø tinh truøng khi teá baøo phaân chia v.v.... Quaù trình keát hôïp hoaëc lai gheùp maøng ñöôïc thuùc ñaåy bôùi nhoùm protein annexin naèm beân döôùi maøng teá baøo khi coù maët Ca2+ noäi baøo. Ngoaøi annexin nhoùm protein lai gheùp (fusion protein) cuõng thuùc ñaúy söï taïo thaønh maøng lai gheùp. III. VAÄN CHUYEÅN CHAÁT TAN QUA MAØNG. Teá baøo soáng luoân coù nhu caàu ñöôïc cung caáp chaát dinh döôõng töø moâi tröôøng xung quanh ñeå taïo naêng löôïng vaø tieàn chaát cho vieäc toång hôïp caùc chaát noäi baøo vaø ngöôïc laïi, ñöa caùc chaát thaûi ra ngoaøi. Doøng vaän chuyeån vaät chaát qua maøng töø ngoaøi vaøo trong vaø ngöôïc laïi thöôøng ôû hai daïng sau: vaän chuyeån thuï ñoäng theo nguyeân taéc khueách taùn vaø vaän chuyeån tích cöïc thöôøng coù höôùng ngöôïc ñoä cheânh leäch (gradient) noàng ñoä vaø tieâu toán naêng löôïng. Vaän chuyeån vaät chaát qua maøng khoâng chæ xaûy ra giöõa teá baøo chaát vaø moâi tröôøng xung quanh teá baøo, maø coøn xaûy ra giöõa caùc baøo quan coù vaùch ngaên caùch noäi baøo vôùi nhau. Trong nhieàu tröôøng hôïp vaän chuyeån noäi baøo ñeàu thaáy coù maët protein vaän chuyeån. tính chaát cuûa caùc heä vaän chuyeån qua maøng ñöôïc toùm taét ôû baûng 7.1. 100 Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng 101 Baûng 7.1. Baûng toång quaùt caùc heä vaän chuyeån. Kieåu vaän chuyeån protein vaän chuyeån Baûo hoøa cô chaát Taïo gradient noàng ñoä Phuï thuoäc naêng löôïng Thí duï Khueách taùn Khoâng Khoâng Khoâng Khoâng H2O, O2, N2,CH4 Vaän chuyeån thuï ñoäng coù coù khoâng khoâng Glucose permease ôû hoäng caàu Vaän chuyeån tích cöïc Sô caáp Thöù caáp coù coù coù coù coù coù coù coù H+ATPase vaø N+K+ATPase Aminoacid vaø ñöôøng Keânh ion coù khoâng khoâng khoâng Keânh Na+ 1. Vaän chuyeån theo kieåu khueách taùn ñôn giaûn Ñaây laø hình thöùc vaän chuyeån qua maøng ñôn giaûn nhaát hoaït ñoäng theo nguyeân taéc khueách taùn vaät chaát töø nôi noàng ñoä cao xuoáng nôi noàng ñoä thaáp cho ñeán khi ñaït söï caân baèng. Tuy nhieân, ôû teá baøo soáng quaù trình naøy gaëp trôû ngaïi bôûi tính thaám choïn loïc cuûa maøng. Trong thöïc teá khi caùc chaát phaân cöïc hoaëc mang ñieän di chuyeån qua maøng thì tröôùc tieân chuùng bò maát voû nöôùc bao quanh vaø sau ñoù phaûi khueách taùn qua moät lôùp daày 3 nm coù tính kî nöôùc cao, tröôùc khi sang ñöôïc maët maøng ñoái dieän ñeå coù voû nöôùc boïc môùi. Do vaäy quaù trình khueách taùn ñôn giaûn phaûi coù möùc naêng löôïng hoaït hoùa cao. Ñieàu naøy sôû dó coù ñöôïc laø nhôø söï cheânh leäch noàng ñoä cuûa chaát vaän chuyeån. Nöôùc maëc duø laø chaát phaân cöïc, nhöng laïi deã daøng khueách taùn qua maøng. Baûn chaát cuûa hieän töôïng naøy hoaøn toaøn chöa ñöôïc lyù giaûi, nhöng coù leõ laø do cheânh leäch aùp suaát thaåm thaáu. Moät soá khí quan troïng nhö O2, N2, CH4 laø caùc chaát ít phaân cöïc vaø ñeàu vaän chuyeån qua maøng theo kieåu khueách taùn ñôn giaûn. Beân caïnh kieåu vaän chuyeån khueách taùn ñôn giaûn qua maøng, moät soá chaát phaân cöïc ôû daïng ion vaän chuyeån thuï ñoäng (passive transport) qua maøng nhôø protein vaän chuyeån (transport protein) cuûa maøng. Chuùng hoaït ñoäng khaù gioáng enzyme, nhöng khoâng phaûi laø enzyme vì protein vaän chuyeån khoâng thay ñoåi trong quaù trình vaän chuyeån. Protein vaän chuyeån laøm giaûm naêng löôïng hoaït hoùa caàn cho quaù trình vaän chuyeån nhôø taïo ra voâ soá caùc lieân keát vaø töông taùc yeáu vôùi chaát vaän chuyeån (gioáng nhö enzyme töông taùc vôùi cô chaát). Ngoaøi ra, enzyme vaän chuyeån naèm xen keõ vaø xuyeân maøng taïo ra khe khaù lôùn cho pheùp vaät chaát vaän chuyeån qua maøng deã daøng. Sau ñaây laø moät soá tröôøng hôïp vaän chuyeån thuï ñoäng: 101 Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng 102 a/ Vaän chuyeån glucose qua maøng hoàng caàu. Teá baøo hoàng caàu luoân coù nhu caàu ñoái vôùi glucose huyeát töông. Bình thöôøng noàng ñoä glucose huyeát töông khoaûng 5mM, trong khi noàng ñoä glucose beân trong hoàng caàu luoân thaáp hôn 5mM. Do vaäy, glucose seõ vaän chuyeån qua maøng hoàng caàu töø ngoaøi vaøo trong theo gradient noàng ñoä. Tuy nhieân, glucose khoâng vaän chuyeån theo kieåu khueách taùn maø theo söï vaän chuyeån thuï ñoäng nhôø protein vaän chuyeån ôû maøng hoàng caàu. Ñoù laø protein maøng coù MW 45.000 Da chöùa 12 ñoaïn peptide kò nöôùc naèm xen keõ maøng taïo ra khe cho pheùp glucose vaän chuyeån qua maøng taêng khoaûng 50.000 laàn so vôùi khi khoâng coù protein vaän chuyeån. Ñoäng hoïc quaù trình vaän chuyeån glucose qua maøng gioáng heät nhö ñoäng hoïc quaù trình xuùc taùc. (Hình 33). b/ Cl- vaø HCO3- ñoàng vaän chuyeån qua maøng teá baøo: Söï ñoàng vaän chuyeån Cl- vaø HCO3- qua maøng hoàng caàu xaåy ra trong quaù trình hoâ haáp ôû cô theå ñoäng vaät. Bình thöôøng CO2 thaûi ra töø caùc moâ trong quaù trình hoâ haáp ñöôïc thu vaøo hoàng caàu vaø bieán ñoåi thaønh bicarbonate (HCO3- ) tan trong huyeát töông maïnh hôn nhieàu so vôùi CO2. Ñieàu naøy cho pheùp huyeát töông vaän chuyeån ñöôïc nhieàu hôn CO2 tôùi phoåi. ÔÛ phoåi HCO3- laïi quay trôû laïi hoàng caàu vaø bieán ñoåi veà laïi daïng khí CO2. Coù nghóa laø ñeå cho quaù trình trao ñoåi khí xaûy ra bình thöôøng HCO3- phaûi vaän chuyeån qua maøng hoàng caàu raát nhanh. Trong thöïc teá nhôø protein vaän chuyeån, söï vaän chuyeån HCO3- qua maøng hoàng caàu ñöôïc gia taêng haøng trieäu laàn. Hình 33. Thay ñoåi naêng löôïng töï do trong vaän chuyeån vaø khueách taùn qua maøng khi coù vaø khoâng coù protein vaän chuyeån Protein vaän chuyeån HCO3- cuõng coù 12 ñoaïn peptide xen keõ xuyeân maøng taïo khe vaän chuyeån HCO3-. Trong khi protein vaän chuyeån glucose coù höôùng töø ngoaøi vaøo trong hoàng caàu thì protein vaän chuyeån HCO3- laïi hoaït ñoäng theo caû hai höôùng. Trong thöïc teá quaù trình vaän chuyeån HCO3- thöôøng keøm theo söï vaän chuyeån Cl- theo höôùng ngöôïc laïi. Heä vaän chuyeån ñôn chuyeån moät höôùng goïi laø uniport (nhö heä vaän chuyeån glucose), coøn heä vaän chuyeån hai höôùng goïi laø cotransport coù hai kieåu. Kieåu vaän chuyeån ñoàng höôùng (ñoàng chuyeån – symport) vaø kieåu ngöôïc höôùng (nghòch chuyeån – antiport) nhö tröôøng hôïp vaän chuyeån HCO3- vaø Cl- qua maøng hoàng caàu (hình 34) 102 Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng 103 Hình 34. Ba heä vaän chuyeån khaùc nhau theo cô chaát vaø höôùng vaän chuyeån cuûa cô chaát. 2. Vaän chuyeån tích cöïc qua maøng. Trong vaän chuyeån thuï ñoäng vaät chaát vaän chuyeån theo ñoä giaûm daàn gradient noàng ñoä vaø nhö vaäy khoâng xaûy ra söï tích luõy vaät chaát. Ngöôïc laïi, vaän chuyeån vaät chaát tích cöïc thöôøng ngöôïc vôùi gradient noàng ñoä vaø cho pheùp tích luõy vaät chaát. Do vaäy theo quan ñieåm cuûa nhieät ñoäng hoïc thì vaän chuyeån vaät chaát tích cöïc khoâng xaûy ra ngaãu nhieân maø phaûi keøm theo söï tieâu toán naêng löôïng (ATP), hoaëc ñöôïc buø veà maët naêng löôïng baèng söï vaän chuyeån theo gradient noàng ñoä cuûa moät chaát khaùc. Vaän chuyeån tích cöïc qua maøng coù yù nghóa sinh hoïc heát söùc quan troïng. Sau ñaây laø moät soá kieåu vaän chuyeån tích cöïc tieâu bieåu nhaát. a/ Ñoàng vaän chuyeån tích cöïc Na+ vaø K+. ÔÛ baát kyø teá baøo ñoäng vaät naøo cuõng coù söï cheâng leäch noàng ñoä Na+ vaø K+ beân trong vaø beân ngoaøi. Noàng ñoä Na+ beân trong bao giôø cuõng thaáp hôn beân ngoaøi. Söï phaân boá khoâng caân ñoái Na+ vaø K+ ñöôïc duy trì nhôø heä thoáng vaän chuyeån tích cöïc Na+ vaø K+ qua maøng teá baøo do enzyme Na+K+ ATPase xuùc taùc. Trong quaù trình vaän chuyeån naøy enzyme noùi treân thuûy giaûi ATP cung caáp naêng löôïng ñeå bôm ñoàng thôøi 3 ion Na+ ra ngoaøi vaø 2 ion K+ vaøo trong teá baøo. Enzyme Na+K+ATPase naèm xen keõ maøng teá baøo. Noù caáu taïo töø 2 tieåu ñôn vò coù MW töông öùng laø 50.000 vaø 110.000 Da taïo khe khaù roäng xuyeân qua maøng teá baøo. Cô cheá hoaït ñoäng cuûa noù nhö sau: Heä enzyme vaän chuyeån Na+ vaø K+ hoaït ñoäng theo chu kyø töông öùng vôùi söï thay ñoåi caáu hình cuûa enzyme. Trong ñoù caáu hình khoâng gaén phosphate (caáu hình I) coù aùi löïc cao ñoái vôùi Na+ vaø gaén vôùi 3 Na+ beân trong teá baøo. Tieáp theo ATP gaén vaøo enzyme vaø xaûy ra phaûn öùng gaén nhoùm phosphate leân enzyme vaø chuyeån enzyme sang caáu hình II coù tính aùi löïc thaáp ñoái vôùi Na+, nhöng laïi coù aùi löïc cao ñoái vôùi K+. Ñieàu naøy cho pheùp noù giaûi phoùng 3 Na+ ra moâi tröôøng beân ngoaøi vaø gaén vôùi 2 K+ töø moâi tröôøng beân ngoaøi. Cuoái cuøng enzyme bò maát goác phosphate vaø giaûm aùi löïc ñoái vôùi K+ vaø giaûi phoùng noù vaøo beân trong teá baøo (hình 35). Do söï phaân boá khoâng ñoàng ñeàu Na+ vaø K+ neân hai beân maøng teá baøo bao giôø cuõng coù theá ñieän ñoäng xuyeân maøng côõ khoaûng töø –50 tôùi –70mV (beân trong aâm so vôùi beân ngoaøi). Theo tính toaùn khoaûng 25% naêng löôïng cuûa cô theå thöôøng xuyeân phaûi tieâu toán ñeå duy trì heä 103 Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng 104 heä Na+ K+ ATP hoaït ñoäng . Haït caây buïi (caây shrub) ôû Phi chaâu chöùa ouabain laø chaát öùc cheá ñaëc hieäu ñoái vôùi enzyme Na+ K+ ATPase vaø ñöôïc thoå daân söû duïng ñeå taåm ñaàu teân. Do vaäy noù coù teân laø ouabain töø tieáng ñòa phöông waba yo, coù nghóa laø teân thuoác ñoäc. Hình 35. Sô ñoà vaän chuyeån Na+ vaø K+ qua maøng. b/ Ba heä vaän chuyeån ATPase. Trong thöïc teá ngöôøi ta phaân bieät 3 heä vaän chuyeån Na+ K+ ATPase. Heä vaän chuyeån P-ATPase. Heä vaän chuyeån Na+ K+ ATPa ñöôïc moâ taû ôû treân thuoäc heä vaän chuyeån coù teân chung laø heä vaän chuyeån ATPase kieåu P (P-type ATPase).Taát caû coù caáu taïo gioáng nhau vaø ñeàu bò öùc cheá bôûi ouabain. Kieåu vaän chuyeån naøy raát phoå bieán ôû thöïc vaät baäc cao trong ñoù bôm H+ coù nhieäm vuï bôm proton ra ngoaøi maøng taïo cheânh leäch khoaûng 2 ñoä pH töông öùng vôùi theá ñieän ñoäng xuyeân maøng khoaûng 250mV. Ñeå ñaåy 1 proton ra ngoaøi phaûi tieâu toán 1 ATP. Heä vaän chuyeån ATPase kieåu V. (V-type ATPase): Chòu traùch nhieäm bôm proton vaøo moät soá ngaên noäi baøo (intracellular compartement) nhö: khoâng baøo ôû thöïc vaät vaø naám moác, lysosome, endosome, boä maùy golgi vaø caùc boä phaän baøi tieát khaùc ôû teá baøo ñoäng vaät vaø laøm 104 Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng 105 cho pH ôû ñaáy giaûm so vôùi pH teá baøo chaát bao boïc xung quanh. Heä V-ATPase hoaït ñoäng khaùc so vôùi P-ATPase ôû choã khoâng coù söï gaén vaø nhaû nhoùm phosphate. Tuy nhieân, cô cheá hoaït ñoäng cuûa noù coøn chöa bieát nhieàu. Heä vaän chuyeån ATPase kieåu (F-type ATPase) ñoùng vai troø trung taâm trong vieäc taïo naêng löôïng ATP ôû vi khuaån, ti theå vaø luïc laïp. Goïi laø heä vaän chuyeån F-ATPase vì noù laø yeáu toá taïo naêng löôïng thoâng qua phaûn öùng taïo ATP töø ADP vaø Pi song haønh vôùi söï vaän chuyeån proton qua maøng töø noàng ñoä cao xuoáng noàng ñoä thaáp. Söï cheânh leäch noàng ñoä H+ ñöôïc taïo bôûi naêng löôïng sinh ra trong quaù trình hoâ haáp vaø puang hôïp ôû ti theå vaø luïc laïp. Do vaäy, F- type ATPase coøn ñöôïc goïi laø heä enzyme ATPase. Söï cheânh leäch noàng ñoä hai beân maøng cung caáp naêng löôïng cho quaù trình vaän chuyeån tích cöïc ion thöù caáp. Söï cheânh leäch noàng ñoä ion Na+ vaø H+ sinh ra trong tieán trình trao ñoåi chaát noùi chung chuû yeáu nhôø naêng löôïng nhaän ñöôïc töø quang naêng, töø quaù trình oxy hoùa, vaø phaûn öùng thuûy phaân ATP seõ laø ñoäng löïc cho quaù trình ñoàng vaän chuyeån tích cöïc caùc ion khaùc ngöôïc vôùi gradient noàng ñoä cuûa chuùng. Thí duï, lactose ñöôïc vaän chuyeån ngöôïc vôùi gradient noàng ñoä vaøo E. coli nhôø heä vaän chuyeån coù teân goïi laø galactosidase permease cho pheùp duy trì noàng ñoä lactose ôû beân trong E. coli cao hôn 200 laàn so vôùi beân ngoaøi. Ñieàu naøy ñaït ñöôïc nhôø söï ñoàng vaän chuyeån lactose vaø H+ vaøo beân trong E. coli (hình 36). Hình 36. Sô ñoà haáp thu lactose Töông töï, ôû maøng ruoät glucose vaø moät soá aminoacid cuõng ñöôïc haáp thu vaøo beân trong teá baøo nhôø quaù trình ñoàng vaän chuyeån Na+ theo chieàu gradient noàng ñoä. ÔÛ phaàn lôùn teá baøo ñoäng vaät ion Ca2+ cuõng ñöôïc duy trì nhôø cô cheá ñoàng vaän chuyeån theo chieàu ngöôïc vôùi Na+, 1 ion Ca2+ ñöôïc bôm ra ngoaøi teá baøo ñoàng thôøi vôùi 3 ion Na+ ñöôïc bôm vaøo trong teá baøo. Söï ñoàng vaän chuyeån vaät chaát cuøng höôùng (hoaëc ngöôïc höôùng) vôùi söï vaän chuyeån Na+ töø beân ngoaøi vaøo teá baøo ñöôïc duy trì nhôø heä Na+K+ATPase ñoùng vai troø chính trong nhieàu quaù trình vaän chuyeån vaät chaát xuyeân maøng. Do vai troø cöïc kyø quan troïng cuûa söï cheânh leäch noàng ñoä ion hai beân maøng neân baát kyø yeáu toá naøo gaây xaùo ñoäng quaù trình hình thaønh noù ñeàu gaây haïi ñoái vôùi cô theå soáng. 105 Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng 106 Valinomycin vaø monensin laø hai khaùng sinh coù baûn chaát laø peptide voøng. Valinomycin vaän chuyeån K+, coøn monensin vaän chuyeån Na+ xuyeân maøng theo chieàu gradient noàng ñoä vaø laøm maát söï cheânh leäch noàng ñoä cuûa chuùng. Do ñoù chuùng ñöôïc goïi laø chaát chuyeån ion (ionophore) vaø theå hieän hoaït tính khaùng sinh thoâng qua vieäc laøm maát cheânh leäch noàng ñoä ion hai beân maøng. Kieåu vaän chuyeån ion khaùc vôùi hai kieåu treân laø vaän chuyeån ion theo keânh (ion chanel) thöôøng coù maët ôû teá baøo thaàn kinh, teá baøo cô vaø moät soá loaïi teá baøo khaùc. Trong thöïc teá caùc tín hieäu kích thích lan truyeàn nhanh choùng treân teá baøo thaàn kinh vaø teá baøo cô laø nhôø söï thay ñoåi theá ñieän ñoäng cuûa maøng teá baøo taïo bôùi caùc keânh vaän chuyeån ion. Keânh ion ñöôïc nghieân cöùu kyõ hôn caû laø thuï theå acetylcholine trong tieáp dieän (synapse) – nôi tieáp giaùp cuûa hai teá baøo thaàn kinh. Tín hieäu thaàn kinh lan truyeàn tôùi synapse cuûa teá baøo neuron tieàn synapse seõ kích thích tieát acetylcholine. Chaát naøy khueách taùn vaø gaén leân thuï theå naèm treân maøng teá baøo neuron haäu synapse vaø laøm thay ñoåi caáu hình thuï theå daãn ñeán söï môû keânh ion naèm trong maøng. Ñieàu naøy taïo ñieàu kieän cho Na+ di chuyeàn theo gradient noàng ñoä töø synapse vaøo teá baøo neron haäu synapse laøm thay ñoåi ñieän tích cuûa maøng vaø laøm xuaát hieän tín hieäu thaàn kinh môùi lan truyeàn tieáp tuïc. 106