Điều hòa hoạt tính enzyme

Điều hòa hoạt tính enzyme Điều hòa hoạt tính enzyme Bởi: Nguyễn Lân Dũng ĐIỀU HÒA HOẠT TÍNH ENZYME Hoạt động nhiều đường trao đổi chất điều hoà nhờ việc điều chỉnh hoạt tính enzyme điều chỉnh Mục mô tả enzyme nói đề cập vai trò chúng việc điều chỉnh hoạt tính đường Điều chỉnh dị lập thể Các enzyme điều chỉnh thường enzyme dị lập thể (allosteric enzymes) Hoạt tính enzyme dị lập thể bị thay đổi phân tử nhỏ gọi effector (effector, chất tác động) modulator (modulator, chất điều biến) Effector liên kết thuận nghịch nhờ lực không - cộng hoá trị vào vị trí điều chỉnh (regulatory site) tách biệt khỏi vị trí xúc tác (catalytic site) gây thay đổi hình dạng hình thể enzyme (Hình 16.21) Hoạt tính vị trí xúc tác bị thay đổi Một effector dương làm tăng hoạt tính enzyme, effector âm, trái lại, làm giảm hoạt tính kìm hãm enzyme Những thay đổi hoạt tính thường bắt nguồn từ biến đổi lực biểu kiến enzyme chất, nhiên thay đổi tốc độ cực đại diễn 1/7 Điều hòa hoạt tính enzyme Điều chỉnh dị lập thể Cấu trúc chức enzyme dị lập thể Trong hình bên effector modulator (chất điều biến) trước hết gắn vào vị trí điều hòa tách biệt làm thay đổi hình thể enzyme dẫn đến thay đổi hình dạng vị trí hoạt động Vị trí hoạt động liên kết chất hiệu Ở effector dương tính kích thích liên kết chất hoạt tính xúc tác (Theo Prescott, Harley Klein, 2005) Các enzyme điều chỉnh thường enzyme dị lập thể (allosteric enzymes) Hoạt tính enzyme dị lập thể bị thay đổi phân tử nhỏ gọi effector (effector, chất tác động) modulator (modulator, chất điều biến) Effector liên kết thuận nghịch nhờ lực không - cộng hoá trị vào vị trí điều chỉnh (regulatory site) tách biệt khỏi vị trí xúc tác (catalytic site) gây thay đổi hình dạng hình thể enzyme (Hình 16.21) Hoạt tính vị trí xúc tác bị thay đổi Một effector dương làm tăng hoạt tính enzyme, effector âm, trái lại, làm giảm hoạt tính kìm hãm enzyme Những thay đổi hoạt tính thường bắt nguồn từ biến đổi lực biểu kiến enzyme chất, nhiên thay đổi tốc độ cực đại diễn 2/7 Điều hòa hoạt tính enzyme Sự điều chỉnh ACTase Phản ứng Aspartate - carbamoyltransferase vai trò enzyme việc điều chỉnh sinh tổng hợp pyrimidine Sản phẩm cuối CTP kìm hãm hoạt tính ACTase (-) ATP lại hoạt hóa enzyme (+) Cacbamoyl Phosphate synthetase bị kìm hãm sản phẩm cuối đường UMP (Theo Prescott, Harley Klein, 2005) Các đặc tính động học enzyme không - điều chỉnh chứng minh số Michaelis (Km) nồng độ chất cần cho enzyme hoạt động tốc độ nửa tốc độ cực đại Hằng số ứng dụng cho đường cong bão hoà chất hyperbole mà không cho đường cong xích-ma thường gặp với enzyme dị lập thể (Hình 16.23) Nồng độ chất cần cho nửa tốc độ cực đại với enzyme dị lập thể có đường cong chất xích-ma gọi giá trị [S]0,5 K0,5 Một enzyme điều chỉnh dị lập thể nghiên cứu kỹ Aspartatecarbamoyltransferase (ACTase) E coli Enzyme xúc tác ngưng tụ cacbamoylphosphate với aspartate tạo thành cacbamoylaspartate (Hình 16.22) ACTase xúc tác phản ứng định tốc độ đường sinh tổng hợp pyrimidine E coli Đường cong chất bão hoà xích-ma nồng độ hai chất thay đổi (Hình 16.23) 3/7 Điều hòa hoạt tính enzyme Động học Aspartate carbamoyltransferase E coli CTP effector âm làm tăng giá trị K 0,5 , ATP effector dương, hạ thấp K 0,5 V max số (Theo Prescott, Harley Klein, 2005) Enzyme có vị trí hoạt động liên kết phân tử chất vào vị trí hoạt động kích thích liên kết chất vào vị trí khác Hơn nữa, cytidine triphosphate (CTP), sản phẩm cuối sinh tổng hợp pyrimidine, kìm hãm enzyme, trái lại ATP (purine) lại hoạt hoá enzyme Cả hai effector thay đổi giá trị K0,5 enzyme không thay đổi tốc độ cực đại enzyme GTP kìm hãm cách nâng cao K0,5 chuyển dịch đường cong bão hoà chất lên giá trị cao Điều cho phép enzyme hoạt động chậm nồng độ chất đặc biệt CTP có mặt ATP hoạt hoá cách chuyển đường cong tới giá trị nồng độ chất thấp khiến cho enzyme hoạt động cực đại qua phạm vi nồng độ chất rộng lớn Do đó, đường hoạt động tới mức nồng độ CTP tăng cao hoạt tính ACTase giảm tốc độ tạo thành sản phẩm cuối bị chậm lại Trái lại, nồng độ sản phẩm cuối ATP tăng lên so với CTP, ATP kích thích tổng hợp CTP thông qua tác dụng lên ACTase Aspartate carbamoyltransferase E coli cung cấp ví dụ rõ rệt vị trí điều chỉnh vị trí xúc tác riêng rẽ enzyme dị lập thể Enzyme protein lớn gồm đơn vị xúc tác đơn vị điều chỉnh (Hình 16.24a) Các đơn vị xúc tác chứa vị trí xúc tác không chịu ảnh hưởng CTP ATP Các đơn vị điều chỉnh không xúc tác phản ứng có vị trí điều chỉnh liên kết CTP ATP Khi liên kết vào enzyme hoàn toàn effector gây thay đổi hình thể dưới-đơn vị điều chỉnh, sau đơn vị xúc tác vị trí xúc tác Enzyme thay đổi thuận nghịch dạng T hoạt động dạng R hoạt động (Hình 16.24 b, c) Do vị trí điều chỉnh ảnh hưởng đến vị trí xúc tác khoảng cách khoảng 6,0 nm 4/7 Điều hòa hoạt tính enzyme Cấu trúc điều chỉnh Aspartate carbamoyltransferase E coli (Theo Prescott, Harley Klein, 2005) Cải biến cộng hoá trị enzyme Các enzyme kích thích bị kìm hãm thông qua cải biến cộng hoá trị thuận nghịch Thông thường điều diễn việc thêm loại bỏ nhóm đặc biệt, nghĩa dạng enzyme hoạt động dạng khác Chẳng hạn, glycogen phosphorylase mốc bánh mì Neurospora crassa gọi phosphorylase a dạng phosphoryl hoá phosphorylase b dạng bị loại bỏ Phosphate (Hình 16.25) Phosphorylase b bất hoạt chất hoạt hoá AMP mà cần thường mặt mức độ đủ cao Dạng phosphoryl hoá phosphorylase a hoạt động mặt AMP Glycogen phosphorylase kích thích thông qua việc phosphoryl hóa phosphorylase b thành phosphorylase a Việc gắn nhánh Phosphate làm thay đổi hình thể enzyme chuyển thành dạng hoạt động Phản ứng phosphoryl hoá loại bỏ Phosphate xúc tác enzyme riêng rẽ enzyme điều chỉnh Sự cải biến cộng hóa trị thuận nghịch glycogen phosphorylase Phosphorylase a dạng hoạt động tổng hợp phosphoryl hóa bị bất hoạt Phosphate bị loại bỏ thủy phân để tạo thành phosphorylase b bất hoạt (Theo Prescott, Harley Klein, 2005) 5/7 Điều hòa hoạt tính enzyme Các enzyme điều chỉnh nhờ liên kết với nhóm khác Phosphate Một enzyme nghiên cứu chi tiết Glutamine synthetase E coli Đây enzyme lớn, phức tạp tồn hai dạng Khi nhánh acid adenylic liên kết với 12 dưới-đơn vị enzyme tạo thành enzyme adenyl hoá, glutamine synthetase hoạt động yếu Việc loại bỏ nhóm AMP tạo glutamine synthetase adenyl hoạt động glutamine tổng hợp Hệ thống glutamine synthetase khác hệ thống phosphorylase hai điểm: 1) AMP dùng tác nhân cải biến; 2) Dạng cải biến Glutamine synthetase hoạt động Glutamine synthetase điều chỉnh dị lập thể Việc sử dụng cải biến cộng hoá trị để điều chỉnh hoạt tính enzyme có số ưu điểm Các enzyme chuyển hoá qua lại thường enzyme dị lập thể Vì dạng đáp ứng khác với effector dị lập thể nên hệ thống enzyme cải biến cộng hoá trị có khả đáp ứng với nhiều chất kích thích đường thay đổi phức tạp Cũng điều chỉnh enzyme xúc tác cải biến cộng hoá trị, bổ sung vào hệ thống mức độ điều chỉnh thứ hai Kìm hãm phản hồi kìm hãm sản phẩm cuối (Feedback inhibition) Như nói phần trên, tốc độ nhiều đường trao đổi chất điều chỉnh thông qua điều khiển hoạt tính enzyme điều chỉnh Mỗi đường có enzyme dẫn-tốc độ (pacemaker) xúc tác phản ứng chậm hạn chế tốc độ đường Vì phản ứng khác diễn nhanh phản ứng dẫn-tốc độ thay đổi hoạt tính enzyme trực tiếp ảnh hưởng đến tốc độ đường Thông thường, bước thứ đường phản ứng dẫn tốc độ xúc tác enzyme điều chỉnh Sản phẩm cuối đường thường kìm hãm enzyme điều chỉnh Quá trình nói gọi kìm hãm sản phẩm cuối Kiểu kìm hãm bảo đảm cho tạo thành cân sản phẩm cuối đường Nếu tích luỹ với nồng độ cao sản phẩm cuối kìm hãm enzyme điều chỉnh làm giảm tốc độ tổng hợp sản phẩm Khi nồng độ sản phẩm cuối giảm, hoạt tính đường lại tăng nhiều sản phẩm tạo thành Sự kìm hãm sản phẩm cuối cùng, nhờ vậy, tự động phối hợp việc cung cấp theo nhu cầu sản phẩm Aspartate carbamoyltransferase ví dụ điển hình kìm hãm sản phẩm đường sinh tổng hợp thường phân nhánh tạo thành sản phẩm cuối Trong tình việc tổng hợp sản phẩm cuối đường phải phối hợp cách xác Không thể để sản phẩm cuối có mặt dư thừa sản phẩm cuối khác lại thiếu Sự phân nhánh đường sinh tổng hợp thường tạo nên cân sản phẩm cuối qua việc sử dụng enzyme điều chỉnh điểm phân nhánh (Hình 16.26) Khi có mặt nồng độ dư thừa sản phẩm cuối thường kìm hãm enzyme điểm phân nhánh chuỗi dẫn đến tạo thành sản phẩm này, nhờ mà điều chỉnh 6/7 Điều hòa hoạt tính enzyme việc tổng hợp sản phẩm không ảnh hưởng đến tổng hợp sản phẩm khác Hình 16.26 cho thấy sản phẩm kìm hãm enzyme mở đầu đường Sự dư thừa sản phẩm làm chậm dòng C vào đường kìm hãm enzyme thích hợp điểm phân nhánh Vì phân nhánh không hoạt động cần C kìm hãm sản phẩm cuối enzyme dẫn tốc độ ban đầu giúp cho điều hoà cung cầu đường phân nhánh Việc điều chỉnh đường phân nhánh nhiều thường thực phức tạp có mặt izoenzyme tức enzyme khác xúc tác phản ứng Bước đầu dẫn tốc độ ban đầu số izoenzyme xúc tác, izoenzyme chịu điều hoà riêng rẽ độc lập Trong tình vậy, dư thừa sản phẩm cuối làm giảm hoạt tính đường không hoàn toàn kìm hãm chức đường số izoenzyme hoạt động Kìm hãm phản hồi Trên hình kìm hãm phản hồi đường phân nhánh với sản phẩm cuối Các enzyme điểm phân nhánh xúc tác chuyển hóa chất trung gian E thành F G điều chỉnh kìm hãm phản hồi Các sản phẩm P Q kìm hãm phản ứng mở đầu đường Tín hiệu ① P Q kìm hãm enzyme xúc tác bước tín hiệu (Theo Prescott, Harley Klein, 2005) 7/7 .. .Điều hòa hoạt tính enzyme Điều chỉnh dị lập thể Cấu trúc chức enzyme dị lập thể Trong hình bên effector modulator (chất điều biến) trước hết gắn vào vị trí điều hòa tách biệt làm... diễn 2/7 Điều hòa hoạt tính enzyme Sự điều chỉnh ACTase Phản ứng Aspartate - carbamoyltransferase vai trò enzyme việc điều chỉnh sinh tổng hợp pyrimidine Sản phẩm cuối CTP kìm hãm hoạt tính ACTase... effector dương làm tăng hoạt tính enzyme, effector âm, trái lại, làm giảm hoạt tính kìm hãm enzyme Những thay đổi hoạt tính thường bắt nguồn từ biến đổi lực biểu kiến enzyme chất, nhiên thay