III. DECARBOXYL-HÓA OXY-HÓA ACID PYRUVIC VĂ CHU TRÌNH ACID
2. Câc phản ứng của chu trình acid tricarboxylic 4 7-
Câc phản ứng của chu trình acid tricarboxylic được xem lă giai đoạn thứ ba của hô hấp hiếu khí. Câc phản ứng của chu trình năy được mô tả trong hình 15.
Chu trình acid tricarboxylic lă đoạn đường chung của câc quâ trình dị hóa oxy-hóa của tất cả câc loại "chất đốt" tế băo trong điều kiện hiếu khí. Trong
chu trình năy câc nhóm acetyl bị phđn giải để giải phóng CO2 vă câc nguyín tử
hydro. Những nguyín tử hydro năy (hay những điện tử tương ứng với chúng) được lôi cuốn văo chuỗi hô hấp mă ta sẽ xĩt tới sau.
Phương trình tổng quât của chu trình tricarboxylic có thể viết dưới dạng sau đđy:
CH3 - COOH + 2H2O –––> 2CO2 + 8H
Từ phương trình năy ta thấy tất cả oxy phđn tử, phosphate vô cơ vă ATP đều không tham gia trực tiếp văo chu trình. Chức năng chủ yếu của chu trình lă dehydrogen-hóa acid acetic để cuối cùng tạo ra hai phđn tử CO2 vă 4 cặp hydro.
Tất cả enzyme của chu trình acid tricarboxylic cũng như của câc phản ứng decarboxyl-hóa oxy-hóa acid pyruvic vă câc phản ứng của chuỗi hô hấp đều định vị trong cơ chất của ty thể. Một số enzyme của chu trình acid tricarboxylic cũng được phât hiện trong băo tương (aconitase, fumarase, malate dehydrogenase). Tuy nhiín, những enzyme năy tâc dụng lín câc con đường trao đổi chất khâc.
chu trình Krebs).
Toăn bộ chu trình acid tricarboxylic bao gồm 7 phản ứng sau đđy: 1/ Phản ứng citrate synthase.
C=O-S-CoA CH3
(Acetyl-CoA) O=C-S-CoA COOH + ––––––> CH2 ––––––> CH2 + CoA-SH O HO-C-COOH HO-C-COOH
C-COOH CH2 CH2 CH2 COOH COOH COOH
(Acid oxaloacetic) (Acid citric)
Phản ứng nghiíng hẵn về phía tổng hợp acid citric, vì cắt đứt liín kết cao
năng thioester dẫn đến giảm đâng kể năng lượng tự do (∆Go'= -7, 7Kcal/ mol).
Citrate syntase lă một enzyme điều hòa, vì nó bị ức chế bởi ATP vă NAD.H. 2/ Phản ứng aconitase.
Enzyme aconitase (aconitate hydratase) thực hiện sự chuyển hóa tương hỗ giữa citrate, cis-aconitate vă isocitrate:
COOH COOH COOH CH2 CH2 CH2 HO-C-COOH –––> C-COOH ––––> HC-COOH CH2 <––– H-C <–––– HO-C-H COOH COOH COOH (Acid citric) (Acid cis-aconitic) (Acid isocitric) 3/ Phản ứng isocitrate dehydrogenase.
Trong phản ứng năy acid isocitric bị oxy-hóa vă decarboxyl-hóa thănh acid
α-cetoglutaric:
Isocitrate + NAD+ ⎯⎯> α-cetoglutarate + CO2 + NAD.H + H+
Ở nhiều loại động thực vật bậc cao có hai loại isocitrate dehydrogenase: một loại sử dụng chất nhận điện tử lă NAD+ , còn loại kia - NADP+. Cả hai enzyme đều có mặt trong ty thể, song loại thứ hai (phụ thuộc NADP) còn có mặt trong băo tương. Tìm hiểu chức năng của hai enzyme năy, người ta đê đi đến kết luận lă chỉ có enzyme phụ thuộc NAD tham gia trong chu trình acid tricarboxylic, còn enzyme thứ hai chủ yếu phục vụ cho câc phản ứng sinh tổng hợp liín quan đến chu trình năy.
Isocitrate dehydrogenase phụ thuộc NAD cần Mg2+ vă Mn2+ cho hoạt động
của mình. Phản ứng do nó xúc tâc kỉm theo việc giảm đâng kể năng lượng tự do. Đđy lă một enzyme dị lập thể. Hoạt tính của nó được tăng cường nhờ ADP do chất
phosphate khâc (trừ dADP) không gđy hiệu ứng năy. Ngược lại, NAD.H vă ATP có tâc dụng ức chế hoạt tính của enzyme.
Khi hăm lượng của ADP trong tế băo tăng lín vì một lý do năo đó (ví dụ vì ATP bị phđn giải quâ nhanh trong câc phản ứng sử dụng năng lượng), tốc độ oxy- hóa acid citric tự động tăng lín, lăm tăng tốc độ của toăn bộ chu trình acid tricarboxylic. Tăng tốc độ của câc phản ứng của chu trình sẽ dẫn đến việc tăng nhanh quâ trình vận chuyển điện tử vă phosphoryl-hóa oxy-hóa, tức chuyển hóa ADP thănh ATP. Khi tăng hăm lượng ATP trong tế băo, hăm lượng của ADP sẽ bị giảm, vă do đó hoạt động của isocitrate dehydrogenase sẽ bị ức chế. Sự tích lũy NAD.H trong ty thể cũng có tâc dụng tương tự.
4/ Phản ứng oxy-hóa acid α- cetoglutaric thănh acid succinic.
Oxy-hóa acid α-cetoglutaric thănh acid succinic lă một quâ trình gồm hai giai
đoạn. ở giai đoạn đầu acid α-cetoglutaric bị decarboxyl-hóa oxy-hóa thănh
succinyl-CoA:
α-Cetoglutarate + NAD+ + CoA-SH ⎯> Succinyl-CoA + CO2 + NAD.H + H+ ∆Go' = -8,0Kcal/mol
Phản ứng năy giống như phản ứng oxy-hóa acid pyruvic thănh acetyl-CoA vă
CO2. Cơ chế của hai phản ứng hầu như giống nhau. Trong cả hai thường hợp đều
cần có câc coenzyme TPP, acid lipoic, CoA-SH, NAD+ vă FAD. Phức hệ α-
cetoglutarate dehydrogenase về cấu trúc rất giống với phức hệ pyruvate dehydrogenase.
Sản phẩm cuối cùng của phản ứng năy - succinyl-CoA - lă một thioester cao năng. Ở giai đoạn kế tiếp nó bị mất nhóm CoA-SH trong phản ứng với sự tham gia của GDP vă phosphate vô cơ. Năng lượng giải phóng trong phản ứng tích lũy lại trong liín kết phosphate tận cùng của GTP:
Succinyl-CoA + Pi + GDP ⎯→ Succinate + CoA-SH + GTP
∆Go' = -0,7Kcal/mol
Phản ứng năy được xúc tâc bởi enzyme succinyl thiokinase (succinyl-CoA synthetase). GTP sau đó nhường gốc phosphate tận cùng cho ADP để tạo ra phđn tử ATP.
5/ Phản ứng succinate dehydrogenase.
Enzyme succinate dehydrogenase xúc tâc phản ứng năy lă một flavoprotein: Succinate + E-FAD ⎯→ Fumarate + E-FAD.H2
Enzyme năy có một số tính chất của enzyme dị lập thể. Nó được hoạt hóa bởi phosphate, succinate vă fumarate; trong khi đó nó bị ức chế cạnh tranh bởi oxaloacetate vă malonate.
6/ Phản ứng fumarase.
Với sự xúc tâc của enzyme fumarase (fumarate hydratase) xảy ra với sự chuyển hóa thuận nghịch acid fumaric thănh acid malic. Biến thiín năng lượng tự do của phản ứng không lớn nín nó dễ dăng xảy ra theo cả hai chiều. Trọng lượng phđn tử của enzyme văo khoảng 200.000. Phđn tử được cấu tạo từ 4 phần dưới đơn vị. Mỗi phần dưới đơn vị riíng lẻ không có hoạt tính xúc tâc. Phản ứng không đòi hỏi coenzyme. ATP lăm giảm âi lực của fumarase với fumarate vă do đó ức chế phản ứng khi nồng độ fumarate thấp hơn mức độ bêo hòa.
L-Malate + NAD+⎯→ Oxaloacetate + NAD.H + H+ ∆Go' = 7,1Kcal/mol
Mặc dù phản ứng có ∆Go' > O, song trong tế băo nó dễ dăng xảy ra theo chiều thuận do sản phẩm của phản ứng oxaloacetate vă NAD.H nhanh chóng được sử dụng.
Tế băo của câc cơ thể bậc cao có hai loại malate dehydrogenase. Loại thứ nhất định vị trong ty thể, còn loại thứ hai - trong băo tương. Chúng có trọng lượng phđn tử giống nhau nhưng khâc nhau bởi thănh phần aminoacid, đặc điểm điện di vă hoạt tính xúc tâc. Enzyme trong ty thể lại bao gồm ít nhất 5 dạng khâc nhau cùng có hoạt tính xúc tâc như nhau nhưng có cấu trúc không giống nhau.
Xem xĩt toăn bộ câc phản ứng của chu trình acid tricarboxylic, ta có thể thấy
từ một phđn tử glucose ở giai đoạn năy của hô hấp tạo ra bốn phđn tử CO2, hai
phđn tử ATP vă 16 nguyín tử hydro. Nhờ 16 nguyín tử hydro năy mă sau hai vòng
của chu trình sẽ hình thănh 6 phđn tử NAD.H vă 2 phđn tử FAD.H2. Ý nghĩa của
chu trình sẽ được thấy rõ khi xem xĩt câc giai đoạn tiếp theo của hô hấp. Tuy nhiín, ý nghĩa của chu trình không chỉ hạn chế ở khía cạnh năng lượng. Chu trình acid tricarboxylic liín quan không những với dị hóa mă với cả đồng hóa với tư câch lă nguồn cung cấp vật liệu xđy dựng cũng như năng lượng cho câc quâ trình sinh tổng hợp. Có hăng loạt câc phản ứng liín quan với nó, mă nhờ đó một số sản phẩm trung gian của chu trình, như α-cetoglutarate, succinate, oxaloacetate có thể được đưa ra khỏi chu trình vă được sử dụng để tổng hợp aminoacid. Mặt khâc, do phần lớn phản ứng của chu trình lă thuận nghịch nín chúng đồng thời được sử dụng để tạo ra câc sản phẩm trung gian của chu trình từ aminoacid. Bình thường, câc phản ứng mă nhờ đó những sản phẩm trung gian nhất định được đưa ra khỏi chu trình, hoặc ngược lại, được đưa văo chu trình thiết lập trạng thâi cđn bằng động với nhau, nhờ đó nồng độ của những sản phẩm trung gian năy trong ty thể được giữ ở mức độ ổn định. Trong việc giữ thế ổn định năy có sự tham gia của một số phản ứng enzyme đặc biệt thường được gọi lă câc phản ứng bù đắp. Những phản ứng năy lăm nhiệm vụ bổ sung nguồn dự trữ câc sản phẩm trung gian của chu trình acid tricarboxylic. Đâng lưu ý hơn cả lă câc phản ứng bù đắp sau đđy:
Phản ứng pyruvate carboxylase.
Mg 2+
Pyruvate + CO2 + ATP ⎯→ Oxaloacetate + ADP + Pi ∆Go' = -0,5Kcal/mol
Khi chu trình acid tricarboxylic bị thiếu oxaloacetate hoặc thiếu câc sản phẩm trung gian khâc, nhờ phản ứng năy mă dự trữ oxaloacetate được tăng lín. Ngược lại, khi thừa oxaloacetate, nó có thể bị decarboxyl-hóa thănh pyruvate vă CO2 . Lă một enzyme dị lập thể, hoạt tính của nó chịu ảnh hưởng của acetyl-CoA. Khi vắng mặt acetyl-CoA, tốc độ của phản ứng thuận rất thấp. Khi acetyl-CoA có dư, phản ứng sẽ được kích thích để tạo ra nhiều oxaloacetate hơn, tức tạo điều kiện để oxy-hóa được nhiều acetyl-CoA hơn. Phản ứng năy chủ yếu phât huy tâc dụng trong gan vă thận của động vật bậc cao.
Trong câc mô khâc, ví dụ cơ tim, chức năng bù đắp được thực hiện nhờ hai phản ứng khâc với sự xúc tâc của hai enzyme: malic-enzyme vă phospho-
L-Malate + NADP+⎯→ Pyruvate + CO2 + NADP.H + H+ vă Phosphoenolpyruvate + CO2 + IDP ⎯→ Oxaloacetate + ITP
Chức năng bù đắp cho chu trình acid tricarboxylic ở thực vật vă nhiều vi sinh vật được thực hiện nhờ một chu trình biến dạng của chu trình acid tri- carboxylic có tín lă chu trình glyoxilate.