1 Chương VIII Mối liên quan giữa các chất trong trao đổi chất Trên đây chúng ta đã nghiên cứu sự trao đổi chất của từng hợp chất cơ bản trong cơ thể sống. Tuy nhiên sự phân chia như vậy chỉ giúp làm đơn giản hoá những vấn đề muốn trình bày. Trong thực tế giữa các chất có nhiều mối liên hệ tương hỗ. Điều đó buộc chúng ta phải nghiên cứu sự trao đổi chất của tế bào trong một tổng thể các mối liên hệ. Thật vậy, trong cơ thể không thể tìm thấy sự trao đổi chất của một chất nào đó xảy ra tách rời với sự trao đổi của các hợp chất khác. Mối liên quan tương hỗ giữa sự trao đổi các hợp chất này thể hiện trên hai mặt cơ bản: nguyên liệu và năng lượng. Mối liên quan về mặt nguyên liệu là khả năng chuyển hoá một chất này thành một chất khác thông qua một số sản phẩm trung gian. Ví dụ, carbohydrate có thể chuyển hoá thành aminoacid bằng cách amine hoá một số cetoacid. Ngược lại một số aminoacid có thể chuyển thành carbohydrate bằng cách loại nhóm aminoacid thành các cetoacid, rồi từ đó tổng hợp carbohydrate. Mối liên quan về mặt năng lượng thể hiện ở chỗ: khi phân giải một hợp chất nào đó năng lượng được tích luỹ trong ATP. Nguồn ATP này được sử dụng cho các phản ứng tổng hợp. Ví dụ, ATP được tạo thành trong quá trình đường phân, quang phosphoryl hoá (quang hợp) và chủ yếu được tạo thành trong quá trình phosphoryl hoá oxy hoá (hô hấp). Sự phosphoryl hoá oxy hoá qua chu trình Krebs và chuỗi vận chuyển điện tử cho thấy rằng: bất kể acetyl-CoA có nguồn gốc từ carbohydrate, hoặc acid béo hay aminoacid cũng đều bị oxy hoá và tổng hợp ATP. Nhờ khả năng chuyển hoá tương hỗ giữa các chất mà cơ thể sinh vật thích ứng với môi trường. Ví dụ vào mùa đông, ở cây trồng xảy ra sự chuyển hoá tinh bột thành đường và chất béo, nhờ đó khả năng chịu rét của cây trồng được nâng cao. Hoặc đối với một số động vật ngủ đông, do dự trữ lipid lớn, nên đã đảm bảo cung cấp đủ năng lượng và các chất cần thiết cho cơ thể sử dụng trong suốt thời gian dài mùa đông. Để nghiên cứu mối liên quan này chúng ta cần xem xét sự trao đổi của từng cặp hợp chất sau: 2 8.1 Mối liên quan giữa carbohydrate và lipid Carbohydrate dễ dàng chuyển thành lipid thông qua hai hợp chất trung gian là dihydroxyacetonphosphate và acetyl-CoA dihydroxyacetonphosphate glycerolphosphate carbohydrate glucose Glyceraldehydphosphate acetyl-CoA acid béo - Glycerine hoặc glyceraldehydphosphate có thể biến đổi thành fructose-1,6- diphosphate (xem chương lipid). - Acetyl-CoA thông qua chu trình Krebs không thể tổng hợp được carbohydrate vì hai nguyên tử carbon của nó đã bị loại thành CO 2 trước khi tạo ra hợp chất oxaloacetic là chất có vai trò tổng hợp mới carbohydrate (quá trình gluconeogenese). Khi mô cơ bị mệt mỏi có hiện tượng là chu trình Krebs không thể tiếp nhận tất cả các phân tử pyruvate tạo ra từ quá trình đường phân. Pyruvate được khử thành lactate, chất này được tích luỹ và khi mô cơ nghỉ ngơi chúng lại được oxy hoá thành pyruvate. Sau đó pyruvate vào trong ty thể và được carboxyl hoá nhờ enzyme pyruvatcacboxylase tạo thành oxaloacetate. Pyruvate vào trong ty thể và có thể tham gia vào 2 đường hướng phản ứng khác nhau (hình 8.1). Nó có thể được biến đổi nhờ enzyme pyruvatdehydrogenase và sau đó đi vào chu trình Krebs. Pyruvate cũng có thể được carboxyl hoá để tạo oxaloacetate và chịu sự biến đổi theo con đường gluconeogenese. Theo đường hướng nào là tuỳ thuộc vào nồng độ acetyl-CoA, chất có khả năng hoạt hoá enzyme pyruvatcarboxylase theo cơ chế biến cấu, trong khi đó ADP lại ức chế enzyme này. NADH + H + NAD + COOH CH 3 CO Pyruvate COOH CH 3 HCOH Lactate 3 Trong tế bào chất malate được oxy hoá thành oxaloacetate nhờ NAD + Oxaloacetate được biến đổi tiếp tục thành photphoenolpyruvate nhờ enzyme quan trọng của gluconeogenese là phosphoenolcarboxykinase. Phản ứng này gồm 1 phản ứng khử carboxyl hoá và 1 phản ứng phosphoryl (phản ứng kinase). Phản ứng cần 1GTP, tương tự ATP. COOH COOH CH 2 C=O Oxaloacetate PEP COOH CH 2 C - O ~ P GTP GDP+CO 2 PEP-carboxykinase CO 2 ATP ADP + P i COOH CH 3 C = O Pyruvate COOH CH 2 Oxaloacetate COOH C = O Pyruvat-carboxylase NAD + NADH+H + COOH CH 2 Malate COOH HCHO Malat-dehydrogenase COOH CH 2 Oxaloacetate COOH C = O 4 PEP là 1 chất được tạo ra trong quá trình đường phân. Từ chất này đi ngược lại những phản ứng riêng lẽ của quá trình đường phân cho đến fructozo-1,6-diphotphate. Chất này được khử phosphoryl hoá và đồng phân hoá cho đến glucose cũng như glucose-1-phosphate. Các nguyên tử C trong lactate được sử dụng để tổng hợp nên glucose hoặc glycogen nhờ ATP và NADH. Sự phosphoryl hoá trực tiếp pyruvate để tạo thành PEP là không thực hiện được vì lý do năng lượng, nghĩa là mức năng lượng của pyruvate thấp hơn nhiều so với mức năng lượng của PEP. Như hình 8.1 sự biến đổi này được thực hiện qua oxaloacetate, nhằm để đi quanh “dốc đứng” giữa pyruvate và PEP. Con đường này đòi hỏi một năng lượng bổ sung, là 1 ATP cho carboxyl hoá pyruvate và 1 GTP cho tạo thành PEP. Hai nguồn năng lượng này đủ để tổng hợp PEP, liên kết cao năng của chúng giải phóng 62 kJ/mol. 5 Hình 8.1 Sơ đồ Gluconeogenes Như ở trên đã nêu enzyme pyruvatcarboxylase được điều khiển theo cơ chế biến cấu. Sự điều khiển này là một cơ chế có ý nghĩa. Khi nồng độ acetyl-CoA cao thì không cần tạo acetyl-CoA bổ sung theo con đường khử carboxyl hoá bằng cách oxy hoá. Trong trường hợp này pyruvatcarboxylase được hoạt hoá nhờ acetyl-CoA và pyruvate được sử dụng để tạo oxaloacetate. Ngược lại khi nồng độ ADP cao, nghĩa là nồng độ ATP thấp thì pyruvatcarboxylase bị ức chế. Pyruvate được thực hiện khử carboxyl hoá bằng cách oxy hoá để cung cấp acetyl-CoA cho chu trình Krebs, là chu trình cùng với chuỗi enzyme hô hấp tái tạo ATP. Glucose 1,6 Fructosediphosphate Triosephosphate Phosphoglycerate PEP Pyruvate Acid béo Pyruvate Acetyl-CoA Malate Oxaloacetate Glutamate Aspartate Chu trình Krebs Ty thể Tế bào chất GDP+CO 2 GTP NADH+H + NAD + NAD + NADH+H + CO 2 +ATP ADP+P i NH 3 NH 3 Oxaloacetate   α-cetoglutarate 6 Ở thực vật và một số vi sinh vật có chu trình glyoxilate xảy ra ở glyoxisome, cấu trúc này chứa enzyme -oxy hoá peroxesome. Ở đây acetyl-CoA có nguồn gốc acid béo sẽ tạo thành oxaloacetic acid, sau đó là phosphoenolpyruvate, rồi từ đó tạo glucose. Cứ mỗi vòng chu trình glyoxilate (xem chương lipid) từ 2 phân tử acetyl-CoA tạo ra được 1 phân tử succinic acid. Acid này bị oxy hoá để tạo ra oxaloacetic acid. Oxaloacetic acid sẽ bị khử carboxyl hoá để biến thành phosphoenolpyruvic acid. Chất này sẽ chuyển thành glucose-6- phosphate. Như vậy từ 4 phân tử acetyl-CoA tạo ra 2 phân tử succinic acid, sau đó 2 phân tử oxaloacetic acid. Các biến đổi tiếp theo sẽ cho ra 2 phân tử phosphoenolpyruvic acid. Cuối cùng thu được 1 phân tử glucose. 8.2 Mối liên quan giữa carbohydrate và protein Sự phân giải carbohydrate tạo ra một số -cetoacid, khi amine hoá chúng sẽ tạo thành các aminoacid tương ứng. Các -cetoacid đó là: pyruvic acid alanine -cetoglutaric acid glutamic acid oxaloacetic acid aspartic acid Các aminoacid này nhờ khả năng chuyển hoá riêng lẽ sẽ tạo thành các aminoacid khác. Chẳng hạn từ glutamic acid có thể tổng hợp thành proline (hình 7.12). Aspartic acid có thể tạo thành lysine, threonine, isoleucine và methionine. 7 8.2 Các đường hướng tổng hợp aminoacid trong thực vật Một sản phẩm khác của sự phân giải carbohydrate là 3- phosphoglycerate. Chất này tạo thành serine bằng cách sau: COOH NAD NADH +H + COOH Glucose NH 3 H - C - OH C =O dehydrogenase transaminase CH 2 O-P CH 2 O-P 3-phosphoglycerate 3-phosphohydroxypyruvate Glucose Fructose 1,6-bisphosphate 3-Phosphoglycerate Phosphoenolpyruvate Pyruvate Acetyl-CoA Citrate Isocitrate Oxalosuccinate α-cetoglutarate Succinate Fumarate Malatee Oxaloacetate Proline Glutamate Arginine Glutamine Histidin Omithine Citrulline Cysteine O-Acetylserine Serin e Glycine Tryptophan Tyrosine Phenylalanine Chorismate Shikimate Prephenate Anthranilate Alanine DAHP Erythrose 4-phosphate Asparagine Aspartate Lysine Threonine Methionine Valine Isoleucine Leuxine Aspartate 4-phosphate Aspartate 4-semialdehyde 2,3-Dihydro- dipicolinate Homoserine Homoserine 4-phosphate DAP Cysteine Cystathionine Pyruvate Homocystein α-ketobutyrate Pyruvate 8 COOH H 2 O COOH H-C-NH 2 H- C-NH 2 photphatase CH 2 OP CH 2 OH 3- phosphoserine serine Từ serine có thể tạo thành cysteine hoặc glycine (nhờ phản ứng loại bỏ nhóm gốc). Ngược lại một số aminoacid (alanine, phenylalanine, tyrosine, histidine, tryptophan, serine, cysteine , glutamic acid , proline, aspartic acid) được coi là các aminoacid tạo glucose. Trong quá trình trao đổi chất các aminoacid này tạo thành pyruvic acid hoặc một hợp chất trung gian của chu trình Krebs như -cetoglutarate, oxaloacetate. Từ oxaloacetate có thể tạo ra phosphoenolpyruvate, rồi từ đó sẽ tổng hợp nên glucose. Ngoài ra giữa quá trinh dị hoá glucid (chu trình Krebs) và quá trình dị hoá aminoacid (chu trình ornithine) có những giai đoạn tạo ra những sản phẩm trung gian giống nhau, đó là aspartic acid, glutamic acid, fumaric acid. Điều đó chứng tỏ sự trao đổi carbohydrate cũng ảnh hưởng qua lại đối với sự trao đổi protein. 8.3 Mối liên quan giữa lipid và protein Acid béo là tiền chất của một số aminoacid thông qua các quá trình sau: hoặc qua chu trình Krebs, một số aminacid được tổng hợp từ - cetoglutaric acid, hoặc qua chu trình glyoxilate, tạo ra oxaloacetic acid. Oxaloacetic acid bị loại carboxyl tạo thành pyruvate từ 2 chất này một số aminoacid cũng được tổng hợp (hình 8.2). Ngược lại một số aminoacid (leucine, isoleucine, tryptophan) khi phân giải sẽ tạo thành acetyl-CoA, từ đó tổng hợp nên acid béo. Một số aminoacid khác (alanine cysteine, serine) bị phân giải thành pyruvic acid. Theo con đường tổng hợp mới glucose, pyruvic acid sẽ tạo thành 3- phosphoaldehydglyceric (ngược quá trình đường phân). Sự chuyển hoá protein thành lipid có thể khái quát trong sơ đồ sau: 9 Protein aminoacid leucine, alanine, isoleucine, cysteine, tryptophan serine acetyl-CoA pyruvic acid acid béo 3- phosphoaldehydglyceric glycerine Lipid Câu hỏi 1. Tại sao ở trong hạt ngũ cốc khi nảy mầm hàm lượng carbohydrate giảm xuống thì hàm lượng lipid và protein lại tăng lên ? 2. Tại sao ở hạt cây có dầu nảy mầm hàm lượng lipid giảm xuống thì hàm lượng carbohydrate và protein lại tăng lên? 3. Tại sao nói pyruvic acid là ngã ba đường của sự trao đổi chất? . 1 Chương VIII Mối liên quan giữa các chất trong trao đổi chất Trên đây chúng ta đã nghiên cứu sự trao đổi chất của từng hợp chất cơ bản trong cơ thể sống bày. Trong thực tế giữa các chất có nhiều mối liên hệ tương hỗ. Điều đó buộc chúng ta phải nghiên cứu sự trao đổi chất của tế bào trong một tổng thể các mối