Chuyển hóa vật chất

3/11/2015 KHÁI NIỆM VỀ CHUYỂN HOÁ CÁC CHẤT ĐẠI CƯƠNG VỀ CHCC  Đặc trưng sống trao đổi chất không ngừng với môi trường xung quanh Sản phẩm đào thải (CO2, H2O, NH4+, urê, a uric) Thức ăn ban đầu (Glucid, lipid, protid, a nucleic, oxi khí trời) Sản phẩm trung gian 3/11/2015 ĐẠI CƯƠNG VỀ CHCC     Chuyển hoá chất: tất trình hoá học xảy bên thể kể từ thức ăn đưa vào thể đến chất cặn bã thải môi trường Cơ thể lấy thức ăn từ môi trường thải chất cặn bã môi trường Chất cặn bã sản phẩm trình biến đổi hoá học (chuyển hoá) chất thức ăn quá trình chuyển hoá chất gọi trình trao đổi chất (giữa thể sống môi trường) ĐẠI CƯƠNG VỀ CHCC Chuyển hoá trung gian: phản ứng trình hoá học xảy tế bào (Các trình hoá học qua nhiều khâu  trung gian nhiều chất trung gian )  CHCC bao hàm trình – tiêu hoá thức ăn, – hấp thu sản phẩm tiêu hoá, – chuyển hoá trung gian 3/11/2015 DỊ HOÁ   Quá trình thoái hoá oxy hoá phân tử dinh dưỡng phức tạp (glucid, lipid, protid) có từ môi trường bên từ dự trữ tế bào Tạo thành phân tử đơn giản acid lactic, carbon dioxid, urea… DỊ HOÁ  Phản ứng dị hoá thường phát – khoảng 40% bắt giữ dạng ATP – 60% lại toả dạng nhiệt làm ấm bên tế bào mô xung quanh 3/11/2015 DỊ HOÁ     Phần lớn phản ứng dị hoá oxy hoá một phần lượng hoá học giữ điện tử giàu lượng chuyển đến coenzym NAD+ NADP+ Oxy hoá NADH  phản ứng phosphoryl hoá ADP tế bào hiếu khí, Oxy hóa NADPH  phản ứng sinh tổng hợp Theo nguyên lí nhiệt động lực học, lượng cần cho sinh tổng hợp chất vượt lượng có từ dị hoá chất ĐỒNG HOÁ     Quá trình phân tử sinh học phức tạp (protein, acid nucleic, polysaccharid, lipid) tổng hợp từ tiền chất đơn giản Cần tạo nhiều liên kết cộng hoá trị cần cung cấp lượng hoá học ATP từ dị hoá cung cấp nguồn lượng NADPH chất vận chuyển điện tử giàu lượng từ phản ứng oxy hoá dị hoá cung cấp cho phản ứng khử đồng hoá 3/11/2015 Đặc điểm   Đồng hoá dị hoá không loại trừ lẫn mà xảy đồng thờitrong tế bào Tế bào xử lí xung đột hai trình – điều hoà chặt chẽ riêng biệt cho dị hoá đồng hoá  nhu cầu chuyển hoá đáp ứng tức thì, có trật tự; – đường chuyển hoá cạnh tranh thường đặt khoang tế bào khác TD: enzym dị hoá acid béo (con đường oxy hoá acid béo) tồn bên ti thể; trình tổng hợp acid béo xảy bào tương 3/11/2015 Các giai đoạn dị hoá Các giai đoạn đồng hoá  Các đường đồng hoá số giới hạn tiền chất đơn giản để tổng hợp thành phần tế bào (protein, acid nucleic, lipid, polysaccharid)  đơn vị cấu tạo thích hợp (acid amin, nucleotid, monosaccharid, acid béo)  chất chuyển hoá tế bào TD: acid amin tạo thành từ amin hoá khung carbon α-ceto acid tương ứng; pyruvat chuyển thành hexose dùng để tổng hợp polysaccharid 3/11/2015 Lưỡng hoá  Một số đường chuyển hoá trung gian phục vụ hai mục đích đồng hoá dị hoá, thí dụ chu trình acid citric Các đường gọi lưỡng hoá, đóng vai trò liên kết đồng hoá dị hoá Đặc điểm     Các đường đồng hoá dị hoá tương ứng chất khác Có thể có chung số sản phẩm trung gian, khác phản ứng enzym chất chuyển hoá đặc trưng Thí dụ: đường phân dị hoá glucose thành pyruvat có 10 enzym; tân tạo đường tổng hợp glucose từ pyruvat sử dụng enzym đường phân theo chiều ngược lại thêm enzym đặc hiệu cho tổng hợp glucose Lí do: điều hoà độc lập với 3/11/2015 Con đường chuyển hoá     Chuỗi phản ứng sản phẩm phản ứng trước chất cho phản ứng sau Gồm từ bước chục bước Điểm bắt đầu kết thúc đường chuyển hoá thường quy ước theo truyền thống để dễ nghiên cứu Các phản ứng đường chuyển hoá khác liên kết lại với Con đường chuyển hoá  Các dạng: – đường thẳng, dạng thường gặp (thí dụ: đường tổng hợp serin); – chu trình, chất trung gian tái tạo chu kì (thí dụ: chu trình acid citric); – đường xoắn ốc, sử dụng nhóm enzym để kéo dài hay cắt ngắn phân tử (thí dụ: sinh tổng hợp acid béo) 3/11/2015 Con đường chuyển hoá Môi trường nội bào ổn định  Các phản ứng tế bào xảy nhiệt độ áp suất vừa phải, nồng độ thấp pH gần trung tính  đòi hỏi lượng chất xúc tác lớn đường chuyển hoá thường gồm nhiều bước  3/11/2015 Con đường chuyển hoá  Lí khiến đường chuyển hoá cần nhiều bước – Tính đặc hiệu có giới hạn enzym   Tổng hợp / thoái hoá: quy định lượng enzym cần thiết có sẵn Một enzym: thường lúc phá vỡ tạo thành vài liên kết cộng hoá trị – Kiểm soát việc nhập xuất lượng    Năng lượng chuyển phản ứng >60 kJ/mol TD: tổng hợp glucose từ carbon dioxid nước cần ~2800 kJ/mol, thực qua bước mà cần nhiều bước Dị hoá giải phóng lượng thành nhiều bước thay vi thành “vụ nổ” lớn không hiệu Hiệu suất chuyển lượng không đạt 100%, đủ để dự trữ lượng dạng thích hợp Hệ thống đa enzym   Các enzym xúc tác cho chuỗi phản ứng Được tổ chức theo số cách: – tồn thực thể hoà tan riêng biệt  sản phẩm trung gian khuếch tán để vào enzym kế tiếp; – tập họp lại tạo thành phức hợp đa enzym, chất bị biến đổi liên tục từ enzym sang enzym khác  sản phẩm trung gian không bị pha loãng hay khuếch tán; – nằm hệ thống gắn màng  enzym chất khuếch tán không gian có chiều màng để tương tác với 10 3/11/2015 Hệ thống đa enzym   Nghiên cứu tổ chức siêu cấu trúc tế bào  hệ thống enzym hoà tan tập họp lại mặt thực thể phức hợp chức Phức hơp đa enzym đường chuyển hoá gọi metabolon (đơn vị chuyển hoá) Con đường chuyển hoá  Không xảy ngẫu nhiên mà điều hoà chặt chẽ – Sự thay đổi môi trường: tính có sẵn lượng, chất dinh dưỡng – Chỉ thị lập trình sẵn mặt di truyền: tinh chỉnh, tái tổ chức trình chuyển hoá  Có thống chuyển hoá giới sinh vật TD: thoái hoá glucose giống người nấm men, khác giai đoạn cuối (người: sản phẩm cuối CO2, H2O; nấm men: ethanol) 11 3/11/2015 Phương pháp nghiên cứu chuyển hoá trung gian  Các cấp độ: – Trình tự phản ứng (cơ chất ban đầu  sản phẩm cuối), lượng chuyển đổi – Cơ chế chuyển đổi từ chất sang chất khác: phân lập xác định đặc điểm enzym đặc hiệu xúc tác phản ứng – Cơ chế điều hoà dòng chuyển hoá qua đường đó: quan hệ quan nhằm điều chỉnh hoạt động chuyển hoá đáp ứng nhu cầu thể Phương pháp nghiên cứu chuyển hoá trung gian    Các nghiên cứu chuyển hoá đầu tiên: sử dụng toàn thể (nấm men, động vật,…) TD: Frederick Banting Charles Best năm 1921 cắt bỏ tuỵ khỏi thể chó  xác lập vai trò tuỵ đái tháo đường Các kĩ thuật nghiên cứu chuyển hoá ngày tinh tế hơn, trải từ toàn quan, lát cắt mô mỏng sang nuôi cấy tế bào bào quan phân lập Một hướng nghiên cứu gần xác định gen hoạt động sản phẩm protein chúng 12 3/11/2015 Phương pháp nghiên cứu chuyển hoá trung gian    Đánh dấu chất chuyển hoá Làm nhiễu loạn hệ thống Sinh học hệ thống Đánh dấu chất chuyển hoá     Theo dõi đường chuyển hoá cách theo dõi chất chuyển hoá đánh dấu Đánh dấu hoá học Đánh dấu chất đồng vị Đánh dấu dùng cộng hưởng từ hạt nhân 13 3/11/2015   1904 Franz Knoop cho chó ăn acid béo đánh dấu hoá học với nhóm phenyl phân lập sản phẩm cuối chứa nhóm phenyl nước tiểu Quan sát khác biệt sản phẩm cuối tuỳ theo nhóm phenyl gắn vào acid béo ban đầu có số C chẵn hay lẻ, Knoop suy luận acid béo thoái hoá thành đơn vị C Đánh dấu chất đồng vị     Từ thập kỉ 1940 Cách mạng hoá nghiên cứu chuyển hoá 1945, David Shemin David Rittenberg nuôi chuột với acid amin chứa15N  tách lấy hem máu, đo phổ tìm thành phần 15N  Chỉ có chuột nuôi [15N]glycin có hem chứa 15N  nitơ hem có nguồn gốc từ glycin acid amin khác Dùng 14C  tất nguyên tử carbon cholesterol có nguồn gốc từ acetyl-CoA 14 3/11/2015 Đánh dấu dùng cộng hưởng từ hạt nhân    Không xâm lấn, phát chất đồng vị 1H, 13C 31P spin hạt nhân đặc trưng chúng 31P: nghiên cứu chuyển hoá lượng cách theo dõi hợp chất phosphoryl hoá ATP, ADP creatin phosphat Dùng D-[1-13C] glucose cho thấy 13C vào gan tích hợp vào glycogen 15 3/11/2015 Làm nhiễu loạn hệ thống   Làm nhiễu loạn hệ thống theo cách quan sát tác động lên đường chuyển hoá Giúp nghiên cứu đặc điểm chất trung gian enzym tham gia đường chuyển hoá Làm nhiễu loạn hệ thống  Dùng chất ức chế chuyển hoá ngăn chặn điểm đường chuyển hoá  tích tụ chất trung gian trước – Khảo sát chuyển glucose thành ethanol nấm men đường phân – Sử dụng chất ức chế vận chuyển điện tử vị trí khác  trình tự chuỗi vận chuyển điện tử ti thể 16 3/11/2015 Làm nhiễu loạn hệ thống  Khiếm khuyết di truyền  tích tụ chất trung gian chuyển hoá  góp phần làm sáng tỏ đường chuyển hoá – Người bệnh alcapton niệu (di truyền lành tính) ăn phenylalanin hay tyrosin tiết acid homogentisic nước tiểu gan thiếu enzym xúc tác trình thoái hoá acid homogentisic Làm nhiễu loạn hệ thống  Thao tác di truyền làm thay đổi trình chuyển hoá – tạo đột biến (bằng hoá chất, tia X, kĩ thuật di truyền) gây hoạt tính loại enzym  phát tác động đột biến chuyển hoá – làm (knockout) gen cụ thể  vai trò gen chuyển hoá – tạo sinh vật chuyển gen để biểu gen mà lúc đầu chúng 17 3/11/2015 Sinh học hệ thống   Cách tiếp cận nghiên cứu chuyển hoá Dựa vào – toàn genome xác định – kĩ thuật nhanh, nhạy phân tích đồng thời số lượng lớn phiên mã gen, protein chất chuyển hoá – công cụ điện toán toán học Sinh học hệ thống    Dựa việc khám phá: thu thập tích hợp lượng lớn liệu vào sở liệu tìm kiếm được, từ phân tích thuộc tính động học toàn mạng lưới sinh học [Khác với cách truyền thống dựa lập giả thuyết.] con đường từ kiểu gen đến kiểu hình hiểu rõ Tương ứng với luận thuyết trung tâm, mối quan hệ kiểu gen kiểu hình trở thành genome, transcriptome, proteome metabolome 18 3/11/2015 Sinh học hệ thống   Mọi hoạt động chuyển hoá tế bào tái cấu trúc từ trình tự ADN Phân tích trình tự genome Vibrio cholerae (gây bệnh tả) cho thấy lượng lớn gen mã hoá protein vận chuyển enzym xúc tác dị hoá nhiều loại dưỡng chất khác  phù hợp với lối sống phức tạp vi khuẩn tả: sống mình, sống kèm sinh vật phù du, sống ống tiêu hoá người Sinh học hệ thống   Xác định toàn phiên mã loại tế bào cho biết gen hoạt động tế bào Dùng DNA microarray xác lập kiểu biểu gen tế bào khối u (các loại khối u khác tổng hợp protein khác loại số lượng) hỗ trợ lựa chọn biện pháp điều trị 19 3/11/2015 Sinh học hệ thống   Lượng ARNm không luôn tương ứng với lượng sản phẩm protein  khảo sát proteome tế bào giúp đánh giá biểu gen xác Các protein tách điện di hai chiều, sau protein xác định dựa trình tự acid amin so với sở liệu trình tự protein 20 [...]... nghiên cứu đặc điểm các chất trung gian và enzym tham gia con đường chuyển hoá Làm nhiễu loạn hệ thống  Dùng chất ức chế chuyển hoá ngăn chặn một điểm nào đó trên con đường chuyển hoá  tích tụ các chất trung gian trước đó – Khảo sát sự chuyển glucose thành ethanol ở nấm men do đường phân – Sử dụng chất ức chế vận chuyển điện tử ở các vị trí khác nhau  trình tự chuỗi vận chuyển điện tử ở ti thể 16... gen hoạt động và sản phẩm protein của chúng 12 3/11/2015 Phương pháp nghiên cứu chuyển hoá trung gian    Đánh dấu chất chuyển hoá Làm nhiễu loạn hệ thống Sinh học hệ thống Đánh dấu chất chuyển hoá     Theo dõi một con đường chuyển hoá bằng cách theo dõi một chất chuyển hoá được đánh dấu Đánh dấu hoá học Đánh dấu bằng chất đồng vị Đánh dấu dùng cộng hưởng từ hạt nhân 13 3/11/2015   1904 Franz... 3/11/2015 Phương pháp nghiên cứu chuyển hoá trung gian  Các cấp độ: – Trình tự phản ứng (cơ chất ban đầu  sản phẩm cuối), năng lượng của sự chuyển đổi đó – Cơ chế của sự chuyển đổi từ chất này sang chất khác: phân lập và xác định đặc điểm của enzym đặc hiệu xúc tác phản ứng – Cơ chế điều hoà dòng chuyển hoá qua con đường đó: quan hệ giữa các cơ quan nhằm điều chỉnh hoạt động chuyển hoá đáp ứng nhu cầu... đa enzym của con đường chuyển hoá được gọi là metabolon (đơn vị chuyển hoá) Con đường chuyển hoá  Không xảy ra ngẫu nhiên mà được điều hoà chặt chẽ – Sự thay đổi của môi trường: tính có sẵn của năng lượng, chất dinh dưỡng – Chỉ thị được lập trình sẵn về mặt di truyền: tinh chỉnh, tái tổ chức các quá trình chuyển hoá  Có sự thống nhất căn bản về chuyển hoá trong thế giới sinh vật TD: thoái hoá glucose... biến trên chuyển hoá – làm mất (knockout) một gen cụ thể nào đó  vai trò của gen đó trong chuyển hoá – tạo sinh vật chuyển gen để biểu hiện các gen mà lúc đầu chúng không có 17 3/11/2015 Sinh học hệ thống   Cách tiếp cận mới trong nghiên cứu chuyển hoá Dựa vào – toàn bộ genome đã được xác định – các kĩ thuật nhanh, nhạy phân tích đồng thời số lượng lớn các bản phiên mã gen, protein và chất chuyển hoá...  tích tụ các chất trung gian chuyển hoá  góp phần làm sáng tỏ con đường chuyển hoá – Người bệnh alcapton niệu (di truyền khá lành tính) khi ăn phenylalanin hay tyrosin sẽ tiết ra acid homogentisic trong nước tiểu là do gan thiếu enzym xúc tác quá trình thoái hoá acid homogentisic Làm nhiễu loạn hệ thống  Thao tác di truyền làm thay đổi quá trình chuyển hoá – tạo đột biến (bằng hoá chất, tia X, kĩ... hiện các chất đồng vị như 1H, 13C và 31P bởi spin hạt nhân đặc trưng của chúng 31P: nghiên cứu chuyển hoá năng lượng ở cơ bằng cách theo dõi các hợp chất phosphoryl hoá như ATP, ADP và creatin phosphat Dùng D-[1-13C] glucose cho thấy 13C vào gan và được tích hợp vào glycogen 15 3/11/2015 Làm nhiễu loạn hệ thống   Làm nhiễu loạn hệ thống theo cách nào đó và quan sát tác động của nó lên con đường chuyển. .. chỉnh hoạt động chuyển hoá đáp ứng nhu cầu cơ thể Phương pháp nghiên cứu chuyển hoá trung gian    Các nghiên cứu chuyển hoá đầu tiên: sử dụng toàn bộ cơ thể (nấm men, động vật, …) TD: Frederick Banting và Charles Best năm 1921 cắt bỏ tuỵ này khỏi cơ thể chó  xác lập vai trò của tuỵ trong đái tháo đường Các kĩ thuật nghiên cứu chuyển hoá ngày càng tinh tế hơn, trải từ toàn bộ cơ quan, lát cắt mô mỏng... 3/11/2015 Sinh học hệ thống   Mọi hoạt động chuyển hoá của tế bào đều có thể được tái cấu trúc từ trình tự ADN Phân tích trình tự genome của Vibrio cholerae (gây bệnh tả) cho thấy lượng lớn các gen mã hoá protein vận chuyển và enzym xúc tác dị hoá nhiều loại dưỡng chất khác nhau  phù hợp với lối sống phức tạp của vi khuẩn tả: sống một mình, sống kèm sinh vật phù du, sống trong ống tiêu hoá người Sinh... sản phẩm cuối này tuỳ theo nhóm phenyl được gắn vào acid béo ban đầu có số C chẵn hay lẻ, Knoop suy luận rằng acid béo được thoái hoá thành những đơn vị 2 C Đánh dấu bằng chất đồng vị     Từ thập kỉ 1940 Cách mạng hoá nghiên cứu chuyển hoá 1945, David Shemin và David Rittenberg nuôi chuột với acid amin chứa15N  tách lấy hem trong máu, đo phổ tìm thành phần 15N  Chỉ có chuột được nuôi bằng [15N]glycin ... nghiên cứu chuyển hoá trung gian    Đánh dấu chất chuyển hoá Làm nhiễu loạn hệ thống Sinh học hệ thống Đánh dấu chất chuyển hoá     Theo dõi đường chuyển hoá cách theo dõi chất chuyển hoá... đường chuyển hoá Giúp nghiên cứu đặc điểm chất trung gian enzym tham gia đường chuyển hoá Làm nhiễu loạn hệ thống  Dùng chất ức chế chuyển hoá ngăn chặn điểm đường chuyển hoá  tích tụ chất trung... bã sản phẩm trình biến đổi hoá học (chuyển hoá) chất thức ăn quá trình chuyển hoá chất gọi trình trao đổi chất (giữa thể sống môi trường) ĐẠI CƯƠNG VỀ CHCC Chuyển hoá trung gian: phản ứng trình