Chương 16.

16.1. NĂNG LƯỢNG

16.1.1. Năng lượng và công

      Có thể định nghĩa một cách đơn giản nhất năng lượng là khả năng tạo nên công hoặc gây nên những biến đổi đặc biệt. Do đó, tất cả các quá trình lý, hoá là kết quả của việc sử dụng hoặc vận động của năng lượng. Tế bào sống thực hiện ba loại công chủ yếu, tất cả đều cần thiết cho các quá trình sống.

• Công hoá học, bao gồm việc tổng hợp các phân tử sinh học phức tạp từ các tiền chất đơn giản hơn. Năng lượng ở đây được dùng để nâng cao tính phức tạp phân tử của tế bào.
• Công vận chuyển, cần năng lượng để hấp thu các chất dinh dưỡng, loại bỏ các chất thải và duy trì các cân bằng ion.

      Như ta biết, nhiều phân tử chất dinh dưỡng bên ngoài môi trường phải đi vào tế bào mặc dù nồng độ nội bào của các chất này thường cao hơn ngoại bào nghĩa là ngược với gradien điện hoá. Với các chất thải và các chất độc hại cần phải được loại bỏ khỏi tế bào, tình hình cũng diễn ra tương tự.

• Công cơ học, có lẽ là loại công quen thuộc nhất trong ba loại công. Năng lượng ở đây cần cho việc thay đổi vị trí vật lý của các cơ thể, các tế bào và các cấu trúc bên trong tế bào. Hầu hết năng lượng sinh học bắt nguồn từ ánh sáng mặt trời khả kiến chiếu lên bề mặt trái đất. Quang năng được hấp thu bởi các sinh vật quang dưỡng trong quá trình quang hợp nhờ chất diệp lục và các sắc tố khác sau đó chuyển thành hoá năng. Trái với sinh vật quang dưỡng, nhiều vi khuẩn hoá tự dưỡng vô cơ (chemolithoautotrophs) lại thu được năng lượng nhờ oxy hoá các chất vô cơ. Hoá năng từ quang hợp và hoá dưỡng vô cơ sau đó có thể được các sinh vật quang tự dưỡng vô cơ và hoá tự dưỡng vô cơ sử dụng để chuyển CO₂ thành các phân tử sinh học như Glucose (Hình 16.1).

• 

Hình 16.1: Dòng carbon và năng lượng trong một hệ sinh thái

(Theo: Prescott và cs, 2005)

      Các phân tử phức tạp do các cơ thể tự dưỡng tổng hợp (cả thực vật và vi sinh vật) được dùng làm nguồn carbon cho các sinh vật hoá dị dưỡng và các sinh vật tiêu thụ khác vốn sử dụng các phân tử hữu cơ phức tạp làm nguồn vật chất và năng lượng để xây dựng nên các cấu trúc tế bào của riêng mình (trên thực tế các sinh vật tự dưỡng cũng sử dụng các phân tử hữu cơ phức tạp). Các sinh vật hoá dị dưỡng thường sử dụng O₂ làm chất nhận electron khi oxy hoá Glucose và các phân tử hữu cơ khác thành CO₂. Trong quá trình này - được gọi là hô hấp hiếu khí - O₂ đóng vai trò là chất nhận electron cuối cùng và bị khử thành nước. Quá trình trên giải phóng ra nhiều năng lượng. Do đó trong hệ sinh thái năng lượng được hấp thu bởi các cơ thể quang tự dưỡng và hoá tự dưỡng vô cơ. Sau đó, một phần năng lượng này được chuyền cho các cơ thể hoá dị dưỡng khi chúng sử dụng các chất dinh dưỡng bắt nguồn từ bọn tự dưỡng (Hình 16.1). CO₂ tạo thành trong hô hấp hiếu khí có thể lại được lắp vào các phân tử hữu cơ phức tạp trong quang hợp và hoá tự dưỡng vô cơ. Rõ ràng, dòng carbon và năng lượng trong hệ sinh thái có liên quan mật thiết với nhau.

      Các tế bào phải vận chuyển năng lượng một cách có hiệu quả từ bộ máy sản xuất năng lượng tới các hệ thống thực hiện công. Nghĩa là, chúng cần có một đồng tiền chung về năng lượng để tiêu dùng, đó là Adenosine 5’- triPhosphate tức ATP (hình 16.2).

      Hình 16.2. Adenosine triPhosphate và Adenosine diPhosphate.

      (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)

       
 

       
 
 
 

      Hình 16.3: Chu trình năng lượng của tế bào.

      Khi ATP phân giải thành Adenosine diPhosphate (ADP) và ortoPhosphate (Pi) năng lượng giải phóng ra sẽ được dùng để thực hiện công hữu ích. Sau đó, năng lượng từ quang hợp, hô hấp hiếu khí, hô hấp kỵ khí và lên men lại được dùng để tái tổng hợp ATP từ ADP và Pi trong chu trình năng lượng của tế bào (Hình 16.3).

      ATP được tạo thành từ năng lượng cung cấp bởi hô hấp hiếu khí, hô hấp kị khí, lên men và quang hợp. Sự phân giải của ATP thành ADP và Phosphate (P_i) giúp cho việc sản ra công hóa học, công vận chuyển và công cơ học.

16.1.2. Các định luật về nhiệt động học

      Để hiểu được năng lượng tạo thành ra sao và ATP hoạt động như thế nào với vai trò là đồng tiền năng lượng ta cần nắm được một số nguyên lý cơ bản của nhiệt động học. Nhiệt động học phân tích những thay đổi về năng lượng trong một tổ hợp vật thể (ví dụ: một tế bào hay một cây) được gọi là một hệ thống. Mọi vật thể khác trong tự nhiên được gọi là môi trường xung quanh. Nhiệt động học tập trung vào sự sai khác năng lượng giữa trạng thái ban đầu và trạng thái cuối cùng của một hệ thống mà không quan tâm đến tốc độ của quá trình. Chẳng hạn, nếu một xoong nước được đun đến sôi thì, về nhiệt động học, chỉ điều kiện nước lúc ban đầu và khi sôi là quan trọng, còn việc nước được đun nhanh chậm ra sao và được đun trên loại bếp lò nào thì không cần chú ý. Trong nhiệt động học không thể không đề cập đến hai định luật quan trọng sau đây.

      Theo định luật thứ nhất, năng lượng không thể được tạo ra hoặc mất đi. Tổng năng lượng trong tự nhiên là hằng số mặc dù có thể được phân bố lại. Chẳng hạn, trong các phản ứng hoá học, thường diễn ra sự trao đổi năng lượng (Ví dụ, nhiệt được thoát ra ở các phản ứng ngoại nhiệt và được hấp thu trong các phản ứng nội nhiệt) nhưng những sự trao đổi nhiệt này không trái với định luật trên.

      Để xác định lượng nhiệt được sử dụng trong hoặc thoát ra từ một phản ứng nào đó người ta dùng hai loại đơn vị năng lượng: một calo (cal) là lượng nhiệt năng cần để tăng nhiệt độ của một gam nước từ 14,5 đến 15,5⁰C. Lượng nhiệt cũng có thể được biểu hiện bằng joule (joule, J) là đơn vị của công. 1 cal của nhiệt tương đương với 4,1840 J của công. 1000 cal hay 1 kilocalo (kcal) là lượng nhiệt đủ đun sôi khoảng 1,9ml nước. 1 kilojoule (kj) là lượng nhiệt đủ đun sôi khoảng 0,44 ml nước hoặc giúp cho một người nặng 70 kg leo lên được 35 bậc. Joule thường được các nhà hoá học và vật lý học sử dụng, còn các nhà sinh học lại quen sử dụng calo khi nói về năng lượng. Vì vậy, calo cũng được sử dụng ở đây khi những sự thay đổi năng lượng được đề cập.

      Mặc dù năng lượng được bảo tồn trong tự nhiên nhưng định luật thứ nhất của nhiệt động học không giải thích được nhiều quá trình vật lý và hoá học. Hãy lấy một ví dụ đơn giản để làm sáng tỏ điều nói trên. 

 

      Hình 16.4: Sự bành trướng của khí từ xylanh chứa đầy khí sang xylanh rỗng khí.

      (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)

      Giả dụ, ta nối một xylanh đầy khí với một xylanh rỗng khí bằng bằng một ống chứa 1 van (Hình 16.4). Nếu ta mở van khí sẽ từ xylanh đầy tràn sang xylanh rỗng cho đến khi khí áp cân bằng ở 2 xylanh. Năng lượng không chỉ được phân bố lại, nhưng cũng được bảo tồn. Sự bành trướng của khí được giải thích bằng định luật thứ hai của nhiệt động học và một trạng thái vật chất được gọi là entropi. Có thể xem entropi là đại lượng đo tính hỗn độn hoặc mất trật tự của một hệ thống. Tính hỗn độn của một hệ thống càng lớn thì entropi của hệ thống cũng càng lớn. Định luật thứ hai nói rằng các quá trình vật lý và hoá học diễn ra theo cách sao cho tính hỗn độn hoặc mất trật tự của cả hệ thống và môi trường xung quanh tăng tới cực đại có thể. Khí bao giờ cũng sẽ bành trướng sang xylanh trống.

16.1.3. Năng lượng tự do và các phản ứng

      Các định luật thứ nhất và thứ hai có thể kết hợp trong một phương trình chung liên kết những thay đổi trong năng lượng có thể diễn ra trong các phản ứng hoá học và các quá trình khác.

∆G = ∆H - T.∆S

      ∆G là sự thay đổi trong năng lượng tự do, ∆H là sự thay đổi trong entalpi (enthalpi).T là nhiệt độ Kelvin (⁰C + 273) và ∆S là sự thay đổi trong entropi (entropy) diễn ra trong phản ứng. Sự thay đổi trong entalpi là sự thay đổi trong nhiệt lượng. Các phản ứng trong tế bào diễn ra ở điều kiện áp suất và thể tích không thay đổi. Do đó sự thay đổi trong entalpi sẽ tương tự như sự thay đổi trong năng lượng tổng cộng trong phản ứng. Sự thay đổi năng lượng tự do là nhiệt lượng trong một hệ thống có khả năng sinh công ở nhiệt độ và áp suất không thay đổi. Vì vậy, sự thay đổi trong entropi là đại lượng đo tỉ lệ của sự thay đổi năng lượng tổng cộng mà hệ thống không thể sử dụng để thực hiện công. Sự thay đổi của năng lượng tự do và của entropi không phụ thuộc vào việc hệ thống diễn ra như thế nào từ lúc bắt đầu tới khi kết thúc. Ở nhiệt độ và áp suất không đổi một phản ứng sẽ xảy ra ngẫu nhiên nếu năng lượng tự do của hệ thống giảm đi trong phản ứng, hay nói theo cách khác, nếu ∆G là âm. Từ phương trình trên suy ra là một phản ứng với sự thay đổi lớn, dương tính trong entropi sẽ thường có xu hướng có giá trị ∆G âm và vì vậy xảy ra ngẫu nhiên. Một sự giảm trong entropi sẽ có xu hướng làm cho ∆G dương tính hơn và phản ứng ít thuận lợi.

 

      Hình 16.5: ∆G^o’ và cân bằng. Quan hệ của ∆G^o’ với sự cân bằng của các phản ứng. (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)

      Sự thay đổi trong năng lượng tự do có quan hệ xác định, cụ thể đối với hướng của các phản ứng hoá học. Ta hãy xét phản ứng đơn giản sau đây:

A + B  C + D

      Nếu được hỗn hợp các phân tử A và B sẽ kết hợp với nhau tạo thành các sản phẩm C và D. Cuối cùng C và D sẽ trở nên đậm đặc đủ để kết hợp với nhau và tạo thành A và B với cùng tốc độ như khi chúng được tạo thành từ A và B. Phản ứng bây giờ ở trạng thái cân bằng: tốc độ theo hai hướng là như nhau và không có sự thay đổi rõ rệt nào diễn ra trong nồng độ của các chất phản ứng và các sản phẩm. Tình hình trên được mô tả là hằng số cân bằng (K_eq) liên kết nồng độ cân bằng của các sản phẩm và cơ chất với nhau:

      Nếu hằng số cân bằng lớn hơn 1 các sản phẩm sẽ có nồng độ lớn hơn các chất phản ứng và phản ứng có xu hướng diễn ra đến cùng (Hình 16.5).

      Hằng số cân bằng của một phản ứng liên quan trực tiếp với sự thay đổi trong năng lượng tự do của phản ứng. Khi được xác định ở các điều kiện tiêu chuẩn quy định chặt chẽ về nồng độ, áp suất, pH và nhiệt độ thì sự thay đổi năng lượng tự do cho một quá trình được gọi là sự thay đổi năng lượng tự do tiêu chuẩn (∆G^o). Nếu giữ ở pH 7,0 (gần với pH của tế bào sống) sự thay đổi năng lượng tự do tiêu chuẩn sẽ được chỉ bởi ký hiệu ∆G^o’. Sự thay đồi trong năng lượng tự do tiêu chuẩn có thể được xem là lượng năng lượng cực đại mà hệ thống có thể thực hiện công hữu ích ở các điều kiện tiêu chuẩn. Việc sử dụng các giá trị ∆G^o’ cho phép ta so sánh các phản ứng mà không cần quan tâm tới những thay đổi trong ∆G, do những sai khác trong các điều kiện môi trường. Quan hệ giữa ∆G^o’ và K_eq được thể hiện qua quá trình sau:

∆G^o’ = -2,303RTlgK_eq.

      R là hằng số khí (1,9872 cal/mol hoặc 8,3145 J/mol) và T là nhiệt độ tuyệt đối. Từ phương trình trên rút ra khi ∆G^o’ âm hằng số cân bằng sẽ lớn hơn 1, phản ứng sẽ diễn ra đến cùng và được gọi là phản ứng thoát nhiệt (Hình 16.5). Trong một phản ứng thu nhiệt ∆G^o’ là dương và hằng số cân bằng nhỏ hơn 1. Điều đó có nghĩa là phản ứng không thuận lợi và ít sản phẩm được tạo thành ở các điều kiện tiêu chuẩn. Cần nhớ rằng giá trị ∆G^o’ chỉ cho ta biết phản ứng nằm ở đâu khi cân bằng chứ không nói lên phản ứng đạt được cân bằng nhanh chậm ra sao.

16.1.4. Vai trò của ATP trong trao đổi chất

      Nhiều phản ứng trong tế bào là thu nhiệt, khó diễn ra hoàn toàn nếu không có sự giúp đỡ từ bên ngoài. Một trong các vai trò của ATP là hướng các phản ứng nói trên xảy ra được triệt để hơn. ATP là một phân tử cao năng nghĩa là nó có thể bị thuỷ phân hầu như hoàn toàn thành ADP và Pi với một ∆G^o’ khoảng -7,3kcal/mol.

 ATP + H₂O      ADP + Pi

 

      Với ATP thuật ngữ phân tử cao năng không có nghĩa là một lượng lớn năng lượng được dự trữ bên trong một liên kết đặc biệt của ATP mà chỉ đơn giản chỉ ra rằng việc loại bỏ nhánh Phosphate tận cùng diễn ra với sự thay đổi năng lượng tự do chuẩn là âm, lớn hoặc phản ứng là thoát nhiệt mạnh. Nói cách khác ATP có thế mạnh chuyền nhóm Phosphate và dễ dàng chuyền Phosphate cho nước. Thế chuyền nhóm Phosphate được quy định là âm của ∆G^o’ đối với việc loại bỏ thuỷ phân Phosphate. Một phân tử có thế chuyền nhóm cao hơn sẽ chuyển Phosphate cho phân tử có thế thấp hơn.

      Như vậy ATP thích hợp khá lý tưởng đối với vai trò là đồng tiền năng lượng. ATP được tạo thành trong các quá trình hấp thu và sản sinh năng lượng như quang hợp, lên men và hô hấp hiếu khí. Đứng về kinh tế của tế bào sự phân giải ATP thải nhiệt liên kết với các phản ứng thu nhiệt khác nhau giúp cho các phản ứng này được hoàn thành (Hình 16.6). Nói cách khác ATP liên kết các phản ứng sinh năng lượng với các phản ứng sử dụng năng lượng.

16.1.5. Các phản ứng oxy hoá - khử và các chất mang electron

      Sự thay đổi năng lượng tự do không chỉ liên quan tới cân bằng của các phản ứng hoá học thông thường mà còn tới cân bằng của các phản ứng oxy hoá-khử. Việc giải phóng năng lượng thường bao gồm các phản ứng oxy hoá-khử là các phản ứng trong đó các electron được chuyển từ chất cho (hoặc chất khử) tới chất nhận electron (hoặc chất oxy hoá). Theo quy ước một phản ứng như vậy sẽ được viết với chất cho nằm ở phía bên phải của chất nhận cùng với số (n) electron (e^-) được chuyển:

Chất nhận + ne^-           Chất cho

      Hình 16.6. ATP như một tác nhân liên kết

       Việc sử dụng ATP để tạo thành các phản ứng nội năng là thuận lợi hơn. ATP được tạo thành bởi các phản ứng ngoại năng, sau đó được dùng để hướng dẫn các phản ứng nội năng.

      (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)

      Cặp chất nhận và chất cho được gọi là cặp redox (Bảng 16.1). Khi một chất nhận nhận các electron nó sẽ trở thành chất cho của cặp. Hằng số cân bằng đối với phản ứng được gọi là thế khử chuẩn (E_o) và là đại lượng đo xu hướng mất electron của chất khử. Tiêu chuẩn tham khảo dùng cho các thế khử là hệ thống hydro với

(thế khử ở pH 7,0) là -0,42V hoặc -420mV.

 

2H⁺ + 2e^-           H₂

      Trong phản ứng này mỗi nguyên tử hydrogen cung cấp một proton (H⁺) và một electron (e^-).

      Thế khử có ý nghĩa cụ thể. Các cặp redox với thế khử âm hơn sẽ chuyền electron cho các cặp với thế khử dương hơn và ái lực lớn hơn đối với các electron. Do đó các electron sẽ có xu hướng di chuyển từ các chất khử ở chóp của bảng 16.1 đến các chất oxy hoá ở đáy vì chúng có thế dương hơn. Bằng mắt thường, điều này có thể được thể hiện ở dạng của một tháp electron trong đó các thế khử âm nhất là ở chóp (hình 16.7).

      Bảng 16.1: Các cặp oxy hóa - khử chọn lọc quan trọng về sinh học.

      (Theo: Prescott và cs, 2005)

      a/ là thế khử chuẩn ở pH 7,0

      b/ Giá trị đối với FAD/FADH₂ ứng dụng cho cofactor tự do vì nó có thể thay đổi đáng kể khi liên kết với 1 apoenzyme

      c/ Giá trị đối với Fe tự do không phải Fe gắn với protein (ví dụ các Cytochrome).

Các electron di chuyển từ các chất cho tới các chất nhận xuôi theo gradien điện thế hoặc rơi xuống tháp đến các điện thế dương hơn. Ta hãy xem trường hợp của chất mang electron NAD⁺ (nicotinamide adenine - dinucleotide). Cặp NAD⁺/NADH có rất âm, và vì vậy có thể cho electron tới nhiều chất nhận kể cả O₂.

      Hình 16.7. Sự di chuyển của electron và các thế khử.

Tháp electron thẳng đứng có các thế khử âm nhất ở đỉnh. Các electron chuyển dịch ngẫu nhiên từ các chất cho cao hơn trên tháp (các thế hiệu âm hơn) tới các chất nhận thấp hơn trên tháp (các thế hiệu dương hơn). Nghĩa là, chất cho trên tháp bao giờ cũng cao hơn chất nhận. Chẳng hạn NADH sẽ chuyền các electron tới oxy và tạo thành nước trong quá trình. Một số chất cho và chất nhận điển hình được ghi ở bên trái và thế oxy hóa khử của chúng được cho trong ngoặc đơn. (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)

      NAD⁺ + 2H⁺ + 2e^-      NADH + H⁺  = -0,32V

      O₂ + 2H⁺ + 2e^-          H₂O  = +0,82V

      Vì NAD⁺/NADH âm hơn O₂/H₂O các electron sẽ di chưyển từ NADH (chất khử) tới O₂ (chất oxy hoá) như ở hình 16.7.

      NADH + H⁺ + O₂ H₂O + NAD⁺

      Khi các electron di chuyển từ một chất khử tới một chất nhận với một thế oxy hoá - khử dương hơn năng lượng tự do sẽ được giải phóng. ∆G^o’ của phản ứng liên quan trực tiếp tới mức độ sai khác giữa thế khử của hai cặp (∆E^’_o). ∆E^’_o càng lớn thì năng lượng tự do thoát ra cũng càng lớn như chỉ ra bởi phương trình sau: ∆G^’_o= -nF∆E^’_o.

      Ở đây n là số electron được chuyển và F là hằng số Faraday (23,062 cal/mol-von hoặc 96,494 J/mol-von). Với mỗi thay đổi 0,1V trong ∆ sẽ có sự thay đổi 4,6 kcal tương ứng trong ∆và K_eq trong các phản ứng hoá học khác nghĩa là hằng số cân bằng càng lớn thì ∆ cũng càng lớn. Sự khác nhau trong thế khử giữa NAD⁺/NADH và O₂/H₂O là 1,14V, một giá trị ∆lớn. Trong hô hấp hiếu khí khi các electron di chuyển từ NADH tới O₂ một lượng lớn năng lượng tự do được dùng để tổng hợp ATP (Hình 16.8)

 NADH + H⁺ + 1/2O₂        NAD⁺ + H₂O  ∆= 52,6 kcal.mol^-1

      Khi các electron di chuyển từ các thế khử âm đến các thế khử dương năng lượng sẽ được giải phóng; trái lại, khi các electron di chuyển từ các điện thế dương hơn đến các điện thế âm hơn năng lượng sẽ cần để đẩy các electron theo hướng ngược lại như diễn ra trong quang hợp (Hình 16.8), ở đây quang năng được thu nhận và được dùng để đẩy các electron từ nước tới chất mang electron nicotinamide dinucleotide Phosphate (NADP⁺).

      Như hình 16.1 đã chỉ dẫn các sinh vật quang hợp thu nhận và sử dụng quang năng để vận chuyển các electron từ nước (và các chất cho electron khác như H₂S) đến các chất nhận electron như NADP⁺ có các thế khử âm hơn. Sau đó các electron này có thể di chuyển trở lại tới các chất nhận dương hơn và cung cấp năng lượng để tạo thành ATP trong quang hợp. Các cơ thể quang tự dưỡng sử dụng ATP và NADPH để tổng hợp các phân tử phức tạp từ CO₂. Các sinh vật hóa dị dưỡng cũng sử dụng năng lượng giải phóng ra trong sự vận chuyển của các electron nhờ sự oxy hoá các chất dinh dưỡng phức tạp trong hô hấp để tạo thành NADH. Sau đó NADH chuyền các electron cho O₂ và năng lượng thoát ra trong sự vận chuyển electron được giữ lại ở dạng ATP. Năng lượng từ ánh sáng mặt trời được sử dụng bởi tất cả các sinh vật chính vì mối quan hệ này giữa dòng electron và năng lượng.

      Hình 16.8: Dòng năng luợng trong trao đổi chất

       Những ví dụ của mối quan hệ giữa dòng electron và năng luợng trong trao đổi chất. Oxy và NADP⁺ được dùng làm chất nhận electron lần lượt từ NADH và nước. (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)

            Hình 16.9: Cấu trúc và chức năng của NAD⁺.

(a) Cấu trúc của NAD và NADP.  NADP khác với NAD ở chỗ có thêm 1 Phosphate trên một trong các đường ribose; (b) NAD có thể nhận các electron và 1 hydro từ cơ chất khử (SH₂). Các electron và hydro này được mang trên vòng nicotinamide. (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)

      Sự vận chuyển electron có ý nghĩa quan trọng trong hô hấp hiếu khí, hô hấp kỵ khí, hoá dưỡng vô cơ và quang hợp. Sự vận chuyển electron trong tế bào cần sự tham gia của các chất mang như NAD⁺ và NADP⁺, cả hai chất này đều có thể vận chuyển electron giữa các vị trí khác nhau. Vòng nicotinamide của NAD⁺ và NADP⁺ (Hình 16.9) tiếp nhận hai electron này và một proton từ một chất cho, còn proton thứ hai được tách ra.

      Hình 16.10: Cấu trúc và chức năng của FAD

Vitamin riboflavin bao gồm vòng isoalloxazine và đường ribose gắn vào. FMN là riboflavin Phosphate. Phần của vòng trực tiếp tham gia vào các phản ứng oxy hóa khử là phần có màu. (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)

      Một số chất mang electron khác có vai trò trong trao đổi chất của vi sinh vật cũng được nêu trong bảng 16.1; các chất này mang electron theo các cách khác nhau. Flavin-adenine dinucleotide (NAD) và flavin-mononucleotide (FMN) mang 2 electron và 2 proton trên hệ thống vòng phức tạp (Hình 16.10).

      Các protein chứa FAD và FMN thường được gọi là flavoprotein. Coenzyme Q (CoQ) hoặc Ubiquinone là một quinon vận chuyển các electron và các H⁺ trong nhiều chuỗi vận chuyển electron hô hấp (Hình 16.11).

      Các cytochrome và một số chất mang khác sử dụng các nguyên tử sắt để vận chuyển electron qua các phản ứng oxy hoá - khử thuận nghịch:

Fe³⁺ (sắt ferric)               Fe²⁺ (sắt ferrous)

      Trong cytochrome các nguyên tử sắt này là một phần của nhóm hem (Hình 16.12) hoặc của các vòng sắt - porphyrin tương tự khác.

 

      Hình 16.11. Cấu trúc và chức năng của Coenzyme Q hoặc Ubiquinone

Chiều dài của chuỗi bên thay đổi tùy theo cơ thể với n = 6 đến n = 10. (Theo Prescott và cs, 2005)

      Các chuỗi vận chuyển electron hô hấp thường chứa cytochrome bao gồm một protein và một vòng sắt - porphyrin. Một số protein mang electron chứa sắt thiếu nhóm hem và được gọi là các protein sắt không - hem. Ferredoxin (Fd) là một protein sắt không-hem hoạt động trong việc vận chuyển electron quang hợp và một số quá trình vận chuyển electron khác. Mặc dù nguyên tử sắt ở chúng không gắn với nhóm hem nhưng chúng vẫn thực hiện được các phản ứng oxy hoá. Cần chú ý rằng trong số các phân tử tham gia vào chuỗi vận chuyển electron nói trên, ở mỗi thời điểm, một số mang hai electron (như NAD, FAD và CoQ), số khác (như các cytochrome và các protein sắt không-hem) chỉ mang một electron. Sự khác nhau trong số lượng electron được vận chuyển có ý nghĩa rất quan trọng trong hoạt động của các chuỗi vận chuyển electron.

      Hình 16.12: Cấu trúc của Hem

Hem bao gồm 1 vòng porphyrin gắn với 1 nguyên tử sắt. Đây là thành phần không-protein của nhiều Cytochrome . Nguyên tử sắt luân phiên tiếp nhận và giải phóng 1 electron. (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)

      

16.2. ENZYME

      Như đã nói ở trên một phản ứng thoát nhiệt là một phản ứng có ∆G^o’ âm và hằng số cân bằng lớn hơn 1 và có thể diễn ra triệt để nghĩa là về phía bên phải của phương trình. Tuy nhiên, người ta thường có thể hỗn hợp các chất phản ứng của một phản ứng thoát nhiệt mà không thấy kết quả rõ ràng mặc dù các sản phẩm có thể được tạo thành. Chính enzyme đóng vai trò trong các phản ứng này.

16.2.1. Cấu trúc và phân loại các enzyme

      Enzyme là các chất xúc tác có bản chất protein, có tính đặc hiệu cao đối với phản ứng xúc tác và với các phân tử chịu xúc tác. Chất xúc tác là một chất làm tăng tốc độ của một phản ứng hoá học mà bản thân không bị thay đổi. Do đó enzyme thúc đẩy các phản ứng của tế bào. Các phân tử phản ứng được gọi là cơ chất và các chất tạo thành được gọi là sản phẩm. Nhiều enzyme là các protein thuần khiết, nhưng cũng không ít enzyme gồm hai thành phần: thành phần protein (gọi là apoenzyme) và phần không - protein (gọi là cofactor); cả hai cần cho hoạt tính xúc tác và enzyme gồm cả hai thành phần trên được gọi là holoenzyme. Cofactor được gọi là nhóm thêm (prosthetic group) nếu gắn chặt vào apoenzyme. Nhưng thường thì cofactor gắn lỏng lẻo với apoenzyme, thậm chí có thể phân li khỏi protein enzyme sau khi các sản phẩm đã được tạo thành và mang một trong các sản phẩm này đến một enzyme khác. Cofactor gắn lỏng lẻo nói trên được gọi là coenzyme. Chẳng hạn, NAD⁺ là một coenzyme mang các electron bên trong tế bào. Nhiều vitamin mà con người cần đóng vai trò là các coenzyme hoặc là tiền chất (precursor) của các coenzyme. Niacin được lắp vào NAD⁺ và riboflavin được lắp vào FAD. Các ion kim loại cũng có thể liên kết với các apoenzyme và tác dụng như các cofactor.

      Mặc dù tế bào chứa một số lượng lớn và rất đa dạng các enzyme nhưng chúng có thể được xếp vào một trong 6 nhóm (Bảng 16.2). Tên của các enzyme thường được đặt theo tên cơ chất mà chúng tác dụng lên và loại phản ứng được xúc tác. Ví dụ, Lactate dehydrogenase (LDH) loại bỏ hydrogen khỏi Lactate:

Lactate + NAD⁺            Pyruvate + NADH + H⁺

      Lactate dehydrogenase cũng có thể được đặt tên đầy đủ và chi tiết hơn là L-Lactate: NAD oxydoreductase. Tên này mô tả các cơ chất và loại phản ứng chính xác hơn.

       Bảng 16.2. Phân loại enzyme

      (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005) 
 

 
 

16.2.2. Cơ chế của các phản ứng enzyme

      Cần nhớ rằng các enzyme tăng cường tốc độ phản ứng nhưng không làm thay đổi hằng số cân bằng. Nếu một phản ứng là thu nhiệt enzyme sẽ không chuyển dịch cân bằng và nhiều sản phẩm hơn sẽ được tạo thành. Các enzyme chỉ nâng cao tốc độ mà ở đó phản ứng diễn ra theo hướng cân bằng cuối cùng.

      Để hiểu được enzyme xúc tác các phản ứng như thế nào ta hãy xem xét diễn biến của một phản ứng hoá học thải nhiệt bình thường sau đây:

A + B    C + D

 

      Khi các phân tử A và B tiếp cận nhau để phản ứng chúng sẽ tạo thành một phức hợp ở trạng thái quá độ chi cả cơ chất và sản phẩm (Hình 16.13)

Hình 16.13: Coenzyme như các chất mang

       Chức năng của 1 coenzyme trong vai trò mang các chất đi khắp tế bào. Coenzyme C cùng với enzyme E₁ tham gia ch  uyển hóa A thành sản phẩm B. Trong quá trình phản ứng coenzyme C nhận X từ cơ chất A và có thể chuyển X sang cơ chất P trong phản ứng 2. Kết quả là coenzyme lại trở về dạng ban đẩu để sẵn sàng tiếp nhận 1X khác. Coenzyme không chỉ tham gia vào 2 phản ứng mà còn vận chuyển X đi khắp tế bào. (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)

      Năng lượng hoạt hoá là cần nhằm mang các phân tử phản ứng tiếp xúc với nhau theo một cách chính xác để đạt được trạng thái quá độ (hay chuyển tiếp). Phức hợp ở trạng thái quá độ có thể phân ly để tạo thành các sản phẩm C và D. Sự khác nhau trong mức độ năng lượng tự do giữa các chất phản ứng và các sản phẩm là ∆G^o’. Vì vậy, trong ví dụ nêu trên cân bằng sẽ nằm về phía các sản phẩm vì ∆G^o’ là âm (nghĩa là các sản phẩm ở mức năng lượng thấp hơn cơ chất). Trong hình 16.13 rõ ràng A và B không thể

chuyển hoá thành C và D nếu chúng không được cung cấp một lượng năng lượng tương đương với năng lượng hoạt hoá. Enzyme thúc đẩy các phản ứng bằng cách hạ thấp năng lượng hoạt hoá. Do đó nhiều phân tử cơ chất hơn sẽ có năng lượng đầy đủ để tiếp cận nhau và tạo thành sản phẩm. Mặc dù hằng số cân bằng (hoặc ∆G^o’) không thay đổi nhưng cân bằng sẽ đạt được nhanh hơn khi có mặt enzyme do năng lượng hoạt hoá giảm.

Hình 16.14: Enzyme hạ thấp năng luợng hoạt hóa

Trong tiến trình của 1 phản ứng hóa học nêu trên A và B được chuyển thành C và D. Phức hợp chuyển tiếp được biểu thị bởi AB^* và năng luợng hoạt hóa cần để đạt được trạng thái này bởi E_a. Đường đỏ biểu thị tiến trình của phản ứng trong sự có mặt của 1 enzyme. Cần chú ý, năng luợng hoạt hóa trong phản ứng có enzyme xúc tác thấp hơn rất nhiều.  (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)

      Sở dĩ enzyme có khả năng hạ thấp năng lượng hoạt hoá của các phản ứng vì chúng mang các cơ chất lại gần nhau tại một điểm đặc biệt gọi là vị trí hoạt động hoặc vị trí xúc tác để tạo thành phức hợp enzyme - cơ chất (Hình 16.15 và 16.16). Sự tương tác giữa cơ chất và enzyme có thể diễn ra theo hai con đường:

1. Enzyme có hình dạng cố định, khớp với hình dạng của cơ chất giúp cho cơ chất liên kết chính xác và thuận lợi cho phản ứng diễn ra.
2. Enzyme thay đổi hình dạng khi gắn với cơ chất tạo điều kiện cho vị trí xúc tác bao quanh và khớp chính xác với cơ chất.

      Cơ chế diễn ra theo con đường thứ nhất được gọi là mô hình “ổ khoá và chìa khoá” (lock - and - key model). Theo con đường thứ hai cơ chế được gọi là mô hình “khớp cảm ứng” (induced fit). Mô hình này được ứng dụng cho hexokinase và nhiều enzyme khác (Hình 16.16).

      Hình 16.15. Chức năng của enzyme. Sự tạo thành phức hợp enzyme-cơ chất và chuyển hóa phức hợp thành 1 sản phẩm. (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)

      Việc tạo thành phức hợp enzyme - cơ chất có thể hạ thấp năng lượng hoạt hoá theo một số cách. Chẳng hạn, bằng cách mang các cơ chất lại gần nhau tại vị trí xúc tác, trên thực tế, enzyme đã làm tăng nồng độ của chúng và thúc đẩy phản ứng. Tuy nhiên, một enzyme không chỉ đơn giản làm đậm đặc nồng độ các cơ chất của chúng mà còn liên kết các cơ chất sao cho các cơ chất này hướng chính xác với nhau để tạo thành phức hợp ở trạng thái quá độ. Một sự định hướng như vậy sẽ hạ thấp lượng năng lượng mà các cơ chất cần để đạt được trạng thái quá độ. Các hoạt tính này và các hoạt tính khác của vị trí xúc tác đã tăng cường phản ứng hàng trăm nghìn lần bất kể vi sinh vật sinh trưởng giữa 20⁰C và khoảng 113⁰C. Những nhiệt độ này không đủ cao để giúp cho hầu hết các phản ứng hữu cơ trong sự vắng mặt của enzyme, hơn nữa các tế bào không thể sống sót ở những nhiệt độ cao dùng bởi một nhà hoá học hữu cơ trong các quá trình tổng hợp hữu cơ thường ngày. Enzyme giúp cho sự sống tồn tại bằng cách thúc đẩy các phản ứng đặc biệt ở nhiệt độ thấp.

      Hình 16.16. Một ví dụ về sự tạo thành phức hợp enzyme-cơ chất

a) Mô hình đầy đủ của hexokinase nấm men và cơ chất Glucose (màu tía). Vị trí hoạt động trong khe tạo thành bởi thùy nhỏ của enzyme (màu lục) và thùy lớn (màu xám). (b) Khi Glucose liên kết để tạo thành phức hợp enzyme-cơ chất hexokinase thay đổi hình dạng và bao quanh cỏ chất. (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005) 
 

16.2.3. Tác động của môi trường lên hoạt tính enzyme

      Hoạt tính enzyme thay đổi rõ rệt với sự thay đổi của các yếu tố môi trường mà một trong các yếu tố quan trọng nhất là nồng độ cơ chất. Như ta đã biết, nồng độ các cơ chất bên trong tế bào thường thấp. Ở nồng độ cơ chất rất thấp enzyme chậm tạo thành sản phẩm do ít khi được tiếp xúc với phân tử cơ chất. Nếu có mặt nhiều phân tử cơ chất hơn enzyme sẽ liên kết cơ chất thường xuyên hơn và tốc độ phản ứng (thường được thể hiện như tốc độ tạo thành sản phẩm) cũng lớn hơn ở nồng độ cơ chất thấp hơn. Do đó tốc độ của một phản ứng do enzyme xúc tác tăng lên theo nồng độ cơ chất (Hình 16.17).

      Tuy nhiên nếu tiếp tục tăng nồng độ cơ chất thì tốc độ phản ứng cũng không tăng nữa vì các phân tử enzyme đã bão hoà cơ chất và đang chuyển hoá cơ chất thành sản phẩm với tốc độ cực đại (V_max). Đường cong của nồng độ cơ chất bây giờ sẽ là đường hyperbole (Hình 16.17). Để biết được nồng độ cơ chất mà một enzyme cần để hoạt động thích hợp người ta thường dùng hằng số Michaelis (Km). Đây là nồng độ cơ chất enzyme cần để thực hiện được một nửa tốc độ cực đại và được dùng như một đại lượng đo ái lực thực sự của một enzyme đối với cơ chất. Giá trị Km càng thấp có ý nghĩa là nồng độ cơ chất mà enzyme xúc tác phản ứng cũng càng thấp.Hoạt tính enzyme cũng thay đổi theo sự thay đổi của pH và nhiệt độ (hình 16.18).

      

      Hình 16.17. Động học Michaelis-Menten

Velocity= tốc độ, Substrate concentration: nồng độ cơ chất

Sự phụ thuộc của hoạt tính enzyme vào nồng độ cơ chất. Đường cong cơ chất ở đây khớp với phương trình Michaelis-Menten cho trong hình; phương trình này liên kết tốc độ phản ứng (v) với nồng độ cơ chất (S) khi sử dụng tốc độ cực đại và hằng số Michaelis (Km). Km = nồng độ cơ chất enzyme cần để hoạt động ở nửa tốc độ cực đại. Vmax = tốc độ tạo thành sản phẩm khi enzyme được bão hòa cơ chất và hoạt động nhanh tối đa. (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)

      Mỗi enzyme hoạt động mạnh nhất ở một pH thích hợp nhất. Khi pH chệch xa khỏi giá trị tối thích hoạt tính của enzyme sẽ giảm đi và enzyme có thể bị hư hại. Với nhiệt độ enzyme cũng có giá trị tối thích cho hoạt tính cực đại. Nếu nhiệt độ tăng quá cao so với giá trị tối thích cấu trúc của enzyme sẽ bị huỷ hoại và enzyme mất hoạt tính. Hiện tượng biến tính (denaturation) này của enzyme có thể là hậu quả của các giá trị quá độ (tột cùng) của pH và nhiệt độ hoặc các yếu tố khác. Các giá trị tối thích của pH và nhiệt độ của các enzyme vi sinh vật thường phản ánh pH và nhiệt độ nơi sống của chúng. Do đó, ta dễ hiểu, các vi khuẩn sinh trưởng tốt nhất ở nhiệt độ cao thường có các enzyme với nhiệt độ tối thích cao và độ bền nhiệt độ lớn.

 

Hình 16.18: pH, nhiệt độ và hoạt tính enzyme

Sự thay đổi hoạt tính enzyme cùng với những thay đổi trong pH và nhiệt độ. Phạm vi pH và nhiệt độ ở đây chỉ là tượng trưng. Các enzyme khác nhau về vị trí của điểm tối thích và hình dạng của các đường cong pH và nhiệt độ. (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)

16.2.4. Sự kìm hãm enzyme

      Nhiều hoá chất là độc đối vi sinh vật và những chất độc mạnh nhất chính là những chất kìm hãm enzyme. Một chất kìm hãm cạnh tranh trực tiếp cạnh tranh với cơ chất ở vị trí xúc tác của một enzyme và ngăn cản enzyme tạo thành sản phẩm. Chẳng hạn, succinate dehydrogenase là enzyme xúc tác sự oxy hoá succinate thành fumarate trong chu trình Krebs. Acid malonic có cấu trúc tương tự succinate do đó là chất kìm hãm cạnh tranh của enzyme nói trên. Sau khi liên kết vào enzyme malonat không bị oxy hoá và việc tạo thành fumarate không diễn ra. Các chất kìm hãm cạnh tranh thường chi với các cơ chất bình thường nhưng không thể bị chuyển hoá thành các sản phẩm.

      

      Hình 16.19: Kìm hãm cạnh tranh của succinate-dehydrogenase

       Acid malonic có cấu trúc tương tự acid succinic do đó là chất kìm hãm cạnh tranh của enzyme nói trên. (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)

      Các chất kìm hãm cạnh tranh được sử dụng để điều trị nhiều bệnh do vi sinh vật. Chẳng hạn các thuốc sulfa như sulfanilamit chi với p-aminobenzoat là một phân tử dùng trong việc tạo thành coenzyme acid folic. Các thuốc cạnh tranh với p-aminobenzoat đối với vị trí xúc tác của một enzyme tham gia tổng hợp acid folic do đó ngăn cản sự tạo thành acid folic và kìm hãm sinh trưởng của vi khuẩn. Cơ thể người không chịu tác dụng của thuốc do không có khả năng tổng hợp acid folic và phải thu nhận acid này từ thức ăn.

16.3. TÍNH CHẤT VÀ Ý NGHĨA CỦA VIỆC ĐIỀU CHỈNH TRAO ĐỔI CHẤT

      Bộ máy điều chỉnh có vai trò cực kỳ phức tạp và khó khăn. Các con đường cần phải điều chỉnh và phối hợp có hiệu quả sao cho tất cả các thành phần của tế bào đều có mặt với số lượng thích hợp, chính xác. Hơn nữa tế bào vi sinh vật phải có khả năng đáp ứng rất kịp thời với những thay đổi của môi trường bằng cách sử dụng các chất dinh dưỡng hiện có và bằng cách bật mở các con đường dị hoá mới khi có mặt các chất dinh dưỡng khác. Vì tất cả các thành phần hoá học của một tế bào thường không tồn tại trong môi trường, do đó vi sinh vật cũng phải tổng hợp chúng và phải thay đổi hoạt tính sinh tổng hợp đáp ứng với những thay đổi trong việc sử dụng chất dinh dưỡng. Thành phần hoá học của môi trường bao quanh tế bào thường xuyên thay đổi, do đó các quá trình điều chỉnh này cũng phải năng động và phải liên tục đáp ứng với các điều kiện thay đổi.

      Việc điều chỉnh là cần thiết cho tế bào vi sinh vật duy trì được năng lượng, vật chất và cân bằng trao đổi chất. Nếu một nguồn năng lượng đặc biệt không có mặt, các enzyme cần cho việc sử dụng nguồn năng lượng này là không cần thiết và việc tổng hợp chúng tiếp tục sẽ là một sự tiêu phí C, N và năng lượng. Cũng tương tự như vậy, sẽ là rất vô ích đối với vi sinh vật nếu chúng tổng hợp các enzyme cần cho việc tạo thành một sản phẩm cuối cùng nào đó khi sản phẩm này đã có mặt với số lượng đầy đủ. Như vậy, cả dị hoá và đồng hoá đều được điều chỉnh theo cách sao cho hiệu quả của hoạt động đạt được tối đa.

      Có thể thấy rõ xu hướng duy trì cân bằng và bảo tồn năng lượng của vật chất trong sự đáp ứng điều chỉnh ở vi khuẩn E. coli... Khi sinh trưởng trong một môi trường rất đơn giản chỉ chứa glucose là nguồn C và nguồn năng lượng vi khuẩn sẽ tổng hợp các thành phần mà tế bào cần với số lượng cân bằng (chẳng hạn acid amin tryptophan). Việc bổ sung một sản phẩm sinh tổng hợp cuối cùng vào môi trường sẽ dẫn đến kìm hãm ngay lập tức con đường tổng hợp sản phẩm cuối cùng nói trên. Việc tổng hợp các enzyme của con đường cũng sẽ bị ngừng hoặc chậm lại. Nếu chuyển E. coli sang môi trường chỉ chứa lactose, vi khuẩn sẽ tổng hợp các enzyme cần cho sự chuyển hoá đường này. Trái lại, khi sinh trưởng trong môi trường chứa cả glucose và lactose E. coli sẽ sử dụng glucose đầu tiên vì đây là loại đường đơn giúp cho sinh trưởng của vi khuẩn diễn ra nhanh nhất chỉ sau khi glucose đã cạn kiệt, lactose mới được sử dụng.

      Dòng carbon chuyển hoá qua con đường có thể được điều chỉnh theo ba cách chủ yếu:

1. Tập trung các chất trao đổi và các enzyme trong những phần khác nhau của tế bào, từ đó ảnh hưởng đến hoạt tính của con đường,
2. Các enzyme quan trọng thường được kích thích hoặc bị kìm hãm trực tiếp nhằm thay đổi nhanh hoạt tính của con đường,
3. Số lượng các phân tử enzyme cũng có thể được điều hoà. Các phân tử chất xúc tác có mặt càng nhiều thì hoạt tính của con đường càng lớn. Ở vi khuẩn, việc điều chỉnh thường chịu tác dụng ở mức độ phiên âm. Việc điều hoà tổng hợp mRNA chậm hơn việc điều chỉnh trực tiếp hoạt tính enzyme nhưng tiết kiệm được nhiều năng lượng và nguyên liệu vì các enzyme không được tổng hợp khi không cần thiết.

      Hai cơ chế 1 và 2 sẽ được trình bày ở đây, đó là: khu trú trao đổi chất và điều hoà hoạt tính enzyme.

16.4. KHU TRÚ TRAO ĐỔI CHẤT (Metabolic Channeling)

      Một trong các cơ chế khu trú trao đổi chất phổ biến nhất là sự chia khoang (compartmentation) nghĩa là sự phân bố biệt hoá các enzyme và các chất trao đổi trong các cấu trúc tế bào tách biệt hoặc các bào quan có màng bao bọc. Chẳng hạn, sự oxy hoá acid béo gặp bên trong ti thể nhưng tổng hợp acid béo lại diễn ra trong tế bào chất. Chu chất ở vi khuẩn cũng có thể được xem là một ví dụ của sự chia khoang. Sự chia khoang tạo điều kiện cho việc hoạt động và điều chỉnh đồng thời nhưng tách biệt của các con đường có thể được phối hợp nhờ sự điều chỉnh việc vận chuyển các chất trao đổi và các coenzyme giữa các khoang của tế bào. Giả dụ, có hai con đường tồn tại trong các khoang tế bào khác nhau nhưng đều cần NAD⁺ cho hoạt động. Sự phân bố NAD⁺ giữa hai khoang sẽ quyết định hoạt tính tương đối của các con đường cạnh tranh này và con đường nào chiếm dư thừa NAD⁺ sẽ có lợi thế hơn.

      Sự chia khoang cũng gặp bên trong các khoang như nền tế bào chất. Nền (matrix) là vật thể đông đặc, có cấu trúc gồm nhiều khoang nhỏ. Ở sinh vật nhân thật nền cũng được chia nhỏ bởi lưới nội chất (endoplasmic reticulum) và bộ khung tế bào (cytoskeleton). Trong một môi trường như vậy các chất trao đổi và các coenzyme không khuếch tán nhanh và các gradien chất trao đổi sẽ được thiết lập gần các enzyme hoặc các hệ thống enzyme cục bộ. Điều này diễn ra vì các enzyme ở một vị trí đặc biệt chuyển hoá các chất thành sản phẩm dẫn đến giảm nồng độ của một hoặc nhiều chất trao đổi này và tăng nồng độ của một hoặc nhiều chất trao đổi khác. Chẳng hạn, nồng độ sản phẩm sẽ cao ở gần enzyme và thấp dần theo khoảng cách tăng lên tính từ enzyme.

      Sự khu trú có thể tạo ra những thay đổi rõ rệt trong nồng độ chất trao đổi và vì vậy ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt tính enzyme. Nồng độ cơ chất, nói chung, thường ở vào khoảng 10^-3 - 10^-6M/l, thậm chí thấp hơn, nghĩa là có thể ở trong cùng phạm vi như nồng độ enzyme và bằng hoặc nhỏ hơn hằng số Michaelis (Km) của nhiều enzyme. Dưới các điều kiện như vậy nồng độ cơ chất của một enzyme có thể điều hoà hoạt tính của chất xúc tác vì nồng độ cơ chất là ở trong phần tăng lên của đường cong hyperbole của sự bão hoà cơ chất (Hình 16.20).

      

      Hình 16.20: Điều hòa hoạt tính enzyme bởi nồng độ cơ chất

Trong hình là đường cong bão hòa enzyme-cơ chất với hằng số Michaelis (Km) và tốc độ tương đương với ½ tốc độ cực đại (V_max). Tốc độ ban đầu của phản ứng (v) được dựng đồ thị đối với nồng độ cơ chất. Tốc độ cực đại là tốc độ lớn nhất đạt được với một số lượng enzyme cố định dưới những điều kiện xác định. Khi nồng độ cơ chất bằng hoặc nhỏ hơn Km hoạt tính enzyme sẽ thay đổi hầu như tuyến tính với nồng độ cơ chất. Giả dụ, nồng độ cơ chất tăng từ mức độ A tới mức độ B. Vì những nồng độ này đều ở trong phạm vi của Km nên hoạt tính enzyme tăng lên rõ rệt. Sự giảm nồng độ từ B đến A sẽ hạ thấp tốc độ tạo thành sản phẩm. (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)

      Khi nồng độ cơ chất tăng, cơ chất sẽ được chuyển thành sản phẩm nhanh hơn; nồng độ cơ chất giảm đương nhiên dẫn đến hoạt tính enzyme thấp hơn. Nếu 2 enzyme ở hai con đường khác nhau cùng sử dụng một chất trao đổi chúng có thể trực tiếp cạnh tranh chất này, con đường thắng trong cuộc cạnh tranh này, nghĩa là con đường với enzyme có giá trị Km thấp nhất đối với chất trao đổi, sẽ hoạt động gần như hoàn toàn thống trị. Do đó sự khu trú bên trong một khoang tế bào có thể điều chỉnh và phối hợp trao đổi chất thông qua những biến đổi trong nồng độ chất trao đổi và nồng độ coenzyme.

16.5. ĐIỀU HÒA HOẠT TÍNH ENZYME

      Hoạt động của nhiều con đường trao đổi chất có thể được điều hoà nhờ việc điều chỉnh hoạt tính của các enzyme điều chỉnh. Mục này mô tả các enzyme nói trên và đề cập vai trò của chúng trong việc điều chỉnh hoạt tính của con đường.

16.5.1. Điều chỉnh dị lập thể

      Các enzyme điều chỉnh thường là các enzyme dị lập thể (allosteric enzymes). Hoạt tính của một enzyme dị lập thể bị thay đổi bởi một phân tử nhỏ gọi là effector (effector, chất tác động) hoặc modulator (modulator, chất điều biến). Effector liên kết thuận nghịch nhờ lực không - cộng hoá trị vào một vị trí điều chỉnh (regulatory site) tách biệt khỏi vị trí xúc tác (catalytic site) và gây ra sự thay đổi trong hình dạng hoặc hình thể của enzyme (Hình 16.21). Hoạt tính của vị trí xúc tác do đó bị thay đổi. Một effector dương làm tăng hoạt tính enzyme, một effector âm, trái lại, làm giảm hoạt tính hoặc kìm hãm enzyme. Những thay đổi như vậy trong hoạt tính thường bắt nguồn từ những biến đổi trong ái lực biểu kiến của enzyme đối với cơ chất, tuy nhiên những thay đổi trong tốc độ cực đại cũng có thể diễn ra. 
 

      Hình 16.21: Điều chỉnh dị lập thể

Cấu trúc và chức năng của 1 enzyme dị lập thể. Trong hình bên effector hoặc modulator (chất điều biến) trước hết gắn vào 1 vị trí điều hòa tách biệt và làm thay đổi hình thể enzyme dẫn đến sự thay đổi hình dạng của vị trí hoạt động. Vị trí hoạt động giờ có thể liên kết cơ chất hiệu quả hơn. Ở đây effector là dương tính vì nó kích thích sự liên kết cơ chất và hoạt tính xúc tác.  (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)

      Các enzyme điều chỉnh thường là các enzyme dị lập thể (allosteric enzymes). Hoạt tính của một enzyme dị lập thể bị thay đổi bởi một phân tử nhỏ gọi là effector (effector, chất tác động) hoặc modulator (modulator, chất điều biến). Effector liên kết thuận nghịch nhờ lực không - cộng hoá trị vào một vị trí điều chỉnh (regulatory site) tách biệt khỏi vị trí xúc tác (catalytic site) và gây ra sự thay đổi trong hình dạng hoặc hình thể của enzyme (Hình 16.21). Hoạt tính của vị trí xúc tác do đó bị thay đổi. Một effector dương làm tăng hoạt tính enzyme, một effector âm, trái lại, làm giảm hoạt tính hoặc kìm hãm enzyme. Những thay đổi như vậy trong hoạt tính thường bắt nguồn từ những biến đổi trong ái lực biểu kiến của enzyme đối với cơ chất, tuy nhiên những thay đổi trong tốc độ cực đại cũng có thể diễn ra. 
 

      Hình 16.22: Sự điều chỉnh ACTase

Phản ứng Aspartate_- carbamoyltransferase và vai trò của enzyme này trong việc điều chỉnh sinh tổng hợp pyrimidine. Sản phẩm cuối cùng CTP kìm hãm hoạt tính của ACTase (-) còn ATP lại hoạt hóa enzyme (+). Cacbamoyl Phosphate synthetase cũng bị kìm hãm bởi các sản phẩm cuối cùng của con đường như UMP. (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)

      Các đặc tính động học của enzyme không - điều chỉnh chứng minh rằng hằng số Michaelis (Km) là nồng độ cơ chất cần cho một enzyme hoạt động ở tốc độ bằng nửa tốc độ cực đại. Hằng số này chỉ ứng dụng cho các đường cong bão hoà cơ chất hyperbole mà không cho các đường cong xích-ma thường gặp với các enzyme dị lập thể (Hình 16.23). Nồng độ cơ chất cần cho một nửa tốc độ cực đại với các enzyme dị lập thể có đường cong cơ chất xích-ma được gọi là giá trị [S]_0,5 hoặc K_0,5.

      Một trong các enzyme điều chỉnh dị lập thể được nghiên cứu kỹ nhất đó là Aspartate-carbamoyltransferase (ACTase) ở E. coli. Enzyme xúc tác sự ngưng tụ của cacbamoylphosphate với aspartate tạo thành cacbamoylaspartate (Hình 16.22).

      ACTase xúc tác phản ứng quyết định tốc độ của con đường sinh tổng hợp pyrimidine ở E. coli. Đường cong cơ chất bão hoà là xích-ma khi nồng độ của một trong hai cơ chất thay đổi (Hình 16.23)

       

      Hình 16.23: Động học của Aspartate carbamoyltransferase ở E. coli

CTP là 1 effector âm làm tăng giá trị K_0,5, còn ATP là 1 effector dương, hạ thấp K_0,5. V_max vẫn là hằng số. (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)

      Enzyme có trên một vị trí hoạt động và sự liên kết của một phân tử cơ chất vào một vị trí hoạt động sẽ kích thích sự liên kết của cơ chất vào các vị trí khác. Hơn nữa, cytidine triphosphate (CTP), một sản phẩm cuối cùng của sinh tổng hợp pyrimidine, kìm hãm enzyme, trái lại ATP (purine) lại hoạt hoá enzyme. Cả hai effector thay đổi giá trị K_0,5 của enzyme nhưng không thay đổi tốc độ cực đại của enzyme. GTP kìm hãm bằng cách nâng cao K_0,5 hoặc chuyển dịch đường cong bão hoà cơ chất lên các giá trị cao hơn. Điều này cho phép enzyme hoạt động chậm hơn ở một nồng độ cơ chất đặc biệt khi CTP có mặt. ATP hoạt hoá bằng cách chuyển đường cong tới các giá trị nồng độ cơ chất thấp hơn khiến cho enzyme hoạt động cực đại qua một phạm vi nồng độ cơ chất rộng lớn. Do đó, khi con đường hoạt động tới mức nồng độ CTP tăng quá cao hoạt tính ACTase sẽ giảm và tốc độ tạo thành sản phẩm cuối cùng bị chậm lại. Trái lại, khi nồng độ sản phẩm cuối cùng ATP tăng lên so với CTP, ATP sẽ kích thích tổng hợp CTP thông qua tác dụng lên ACTase.

      Aspartate carbamoyltransferase ở E. coli cung cấp một ví dụ rõ rệt về các vị trí điều chỉnh và vị trí xúc tác riêng rẽ trong các enzyme dị lập thể. Enzyme là một protein lớn gồm 2 dưới đơn vị xúc tác và 3 dưới đơn vị điều chỉnh (Hình 16.24a). Các dưới đơn vị xúc tác chỉ chứa các vị trí xúc tác và không chịu ảnh hưởng bởi CTP và ATP. Các dưới đơn vị điều chỉnh không xúc tác phản ứng nhưng có các vị trí điều chỉnh liên kết CTP và ATP. Khi liên kết vào enzyme hoàn toàn các effector này gây ra những thay đổi về hình thể trong các dưới-đơn vị điều chỉnh, sau đó trong các dưới đơn vị xúc tác và các vị trí xúc tác. Enzyme có thể thay đổi thuận nghịch giữa một dạng T ít hoạt động và một dạng R hoạt động hơn (Hình 16.24 b, c). Do đó vị trí điều chỉnh ảnh hưởng đến vị trí xúc tác ở khoảng cách khoảng 6,0 nm.

      Hình 16.24: Cấu trúc và điều chỉnh của Aspartate carbamoyltransferase ở E. coli. (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)

16.5.2. Cải biến cộng hoá trị các enzyme

      Các enzyme cũng có thể được kích thích hoặc bị kìm hãm thông qua sự cải biến cộng hoá trị thuận nghịch. Thông thường điều này diễn ra do việc thêm và loại bỏ một nhóm đặc biệt, nghĩa là một dạng của enzyme được hoạt động hơn một dạng khác. Chẳng hạn, glycogen phosphorylase của mốc bánh mì Neurospora crassa được gọi là phosphorylase a khi ở dạng phosphoryl hoá và phosphorylase b khi ở dạng bị loại bỏ Phosphate (Hình 16.25). Phosphorylase b là bất hoạt vì chất hoạt hoá AMP mà nó cần thường không có mặt ở mức độ đủ cao. Dạng phosphoryl hoá của phosphorylase a hoạt động ngay khi không có mặt AMP. Glycogen phosphorylase được kích thích thông qua việc phosphoryl hóa phosphorylase b thành phosphorylase a. Việc gắn nhánh Phosphate làm thay đổi hình thể của enzyme chuyển nó thành dạng hoạt động. Phản ứng phosphoryl hoá và loại bỏ Phosphate được xúc tác bởi các enzyme riêng rẽ và các enzyme này cũng được điều chỉnh.

      Hình 16.25: Sự cải biến cộng hóa trị thuận nghịch của glycogen phosphorylase. Phosphorylase a là dạng hoạt động được tổng hợp bởi phosphoryl hóa và bị bất hoạt khi Phosphate bị loại bỏ do thủy phân để tạo thành phosphorylase b bất hoạt. (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)

      Các enzyme cũng có thể được điều chỉnh nhờ liên kết với các nhóm khác Phosphate. Một trong các enzyme được nghiên cứu chi tiết nhất đó là Glutamine synthetase ở E. coli. Đây là một enzyme lớn, phức tạp tồn tại ở hai dạng. Khi một nhánh acid adenylic liên kết với một trong 12 dưới-đơn vị của enzyme tạo thành một enzyme adenyl hoá, glutamine synthetase hoạt động yếu. Việc loại bỏ các nhóm AMP tạo ra glutamine synthetase đã mất adenyl hoạt động hơn và glutamine được tổng hợp. Hệ thống glutamine synthetase khác hệ thống phosphorylase ở hai điểm: 1) AMP được dùng như tác nhân cải biến; 2) Dạng cải biến của Glutamine synthetase kém hoạt động. Glutamine synthetase cũng được điều chỉnh dị lập thể.

      Việc sử dụng cải biến cộng hoá trị để điều chỉnh hoạt tính enzyme có một số ưu điểm. Các enzyme có thể chuyển hoá qua lại thường cũng là các enzyme dị lập thể. Vì mỗi dạng có thể đáp ứng khác nhau với các effector dị lập thể nên các hệ thống enzyme cải biến cộng hoá trị có khả năng đáp ứng với nhiều chất kích thích hơn trong các con đường thay đổi và phức tạp. Cũng có thể được điều chỉnh là các enzyme xúc tác những cải biến cộng hoá trị, bổ sung vào hệ thống một mức độ điều chỉnh thứ hai.

16.5.3. Kìm hãm phản hồi hoặc kìm hãm bởi sản phẩm cuối cùng (Feedback inhibition)

      Như đã nói ở phần trên, tốc độ của nhiều con đường trao đổi chất được điều chỉnh thông qua sự điều khiển hoạt tính của các enzyme điều chỉnh. Mỗi con đường có ít nhất một enzyme dẫn-tốc độ (pacemaker) xúc tác phản ứng chậm nhất hoặc hạn chế tốc độ trong con đường. Vì các phản ứng khác diễn ra nhanh hơn phản ứng dẫn-tốc độ do đó những thay đổi trong hoạt tính của enzyme này trực tiếp ảnh hưởng đến tốc độ của con đường. Thông thường, bước thứ nhất trong một con đường là một phản ứng dẫn tốc độ xúc tác bởi một enzyme điều chỉnh. Sản phẩm cuối cùng của con đường thường kìm hãm enzyme điều chỉnh này. Quá trình nói trên được gọi là sự kìm hãm bởi sản phẩm cuối cùng. Kiểu kìm hãm này bảo đảm cho sự tạo thành cân bằng của sản phẩm cuối cùng của một con đường. Nếu tích luỹ với nồng độ quá cao sản phẩm cuối cùng sẽ kìm hãm enzyme điều chỉnh và làm giảm tốc độ tổng hợp của chính sản phẩm này. Khi nồng độ của sản phẩm cuối cùng giảm, hoạt tính của con đường lại tăng và nhiều sản phẩm hơn được tạo thành. Sự kìm hãm bởi sản phẩm cuối cùng, nhờ vậy, đã tự động phối hợp việc cung cấp theo nhu cầu của sản phẩm này. Aspartate carbamoyltransferase là một ví dụ điển hình của sự kìm hãm bởi sản phẩm một con đường sinh tổng hợp thường phân nhánh tạo thành trên một sản phẩm cuối cùng. Trong tình hình như vậy việc tổng hợp các sản phẩm cuối cùng của con đường phải được phối hợp một cách chính xác. Không thể để một sản phẩm cuối cùng này có mặt dư thừa trong khi một sản phẩm cuối cùng khác lại thiếu. Sự phân nhánh các con đường sinh tổng hợp thường tạo nên sự cân bằng giữa các sản phẩm cuối cùng qua việc sử dụng các enzyme điều chỉnh ở các điểm phân nhánh (Hình 16.26).

      Khi có mặt ở nồng độ dư thừa một sản phẩm cuối cùng thường kìm hãm enzyme ở điểm phân nhánh trên chuỗi dẫn đến tạo thành sản phẩm này, nhờ vậy mà điều chỉnh việc tổng hợp của chính sản phẩm đó nhưng không ảnh hưởng đến tổng hợp các sản phẩm khác. Hình 16.26 cũng cho thấy cả 2 sản phẩm cũng kìm hãm enzyme mở đầu trong con đường. Sự dư thừa của một sản phẩm làm chậm dòng C đi vào cả con đường trong khi kìm hãm enzyme thích hợp ở điểm phân nhánh. Vì sự phân nhánh không hoạt động cần ít C do đó sự kìm hãm bởi sản phẩm cuối cùng của enzyme dẫn tốc độ ban đầu giúp cho sự điều hoà giữa cung và cầu ở các con đường phân nhánh. Việc điều chỉnh ở các con đường phân nhánh nhiều thường được thực hiện phức tạp hơn do sự có mặt của các izoenzyme tức là những enzyme khác nhau nhưng xúc tác cùng một phản ứng. Bước đầu dẫn tốc độ ban đầu có thể do một số izoenzyme xúc tác, mỗi izoenzyme chịu sự điều hoà riêng rẽ và độc lập. Trong tình hình như vậy, sự dư thừa của một sản phẩm cuối cùng sẽ làm giảm hoạt tính của con đường nhưng không hoàn toàn kìm hãm chức năng của con đường vì một số izoenzyme vẫn còn hoạt động.

      Hình 16.26: Kìm hãm phản hồi

Trên hình là sự kìm hãm phản hồi trong 1 con đường phân nhánh với 2 sản phẩm cuối cùng. Các enzyme ở điểm phân nhánh xúc tác sự chuyển hóa chất trung gian E thành F và G được điều chỉnh bởi kìm hãm phản hồi. Các sản phẩm P và Q cũng kìm hãm phản ứng mở đầu trong con đường. Tín hiệu ① chỉ ra rằng P hoặc Q kìm hãm enzyme xúc tác bước tiếp theo tín hiệu. (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)