II. GLYCOLYS 3 4-
2. Câc phản ứng của glycolys 3 6-
Tập hợp câc phản ứng kế tiếp nhau của glycolys được xem lă giai đoạn đầu tiín trong số 5 giai đoạn của quâ trình hô hấp hiếu khí. Toăn bộ quâ trình glycolys xảy ra trong băo tương vă có thể chia lăm hai giai đoạn như mô tả trong hình 11.
Ở giai đoạn 1 glucose được phosphoryl-hóavă sau đó bị phđn giải thănh hai phđn tử glyceraldehyde-3-phosphate. Ở giai đoạn 2 glyceraldehyde-3-phosphate chuyển hóa thănh acid pyruvic. Nếu quâ trình xảy ra trong điều kiện kỵ khí thì, như ta đê biết, acid pyruvic tiếp tục chuyển hóa thănh acid lactic hoặc ethanol. Giai đoạn thứ nhất được xem như giai đoạn chuẩn bị. Ở giai đoạn năy mọi hexose đều được lôi cuốn văo quâ trình glycolys bằng câch được phosphoryl-hóa nhờ ATP để sau đó tạo ra sản phẩm chung lă glyceraldehyde-3-phosphate. Giai đoạn thứ hai bao gồm câc phản ứng oxy-hóa - khử vă cơ chế tích lũy năng lượng, trong đó ADP được phosphoryl-hóa thănh ATP.
Toăn bộ quâ trình glycolys bao gồm ba kiểu phản ứng hóa học mă câc con đường của chúng liín quan mật thiết với nhau:
Glucose Glycogen, tinh bột ATP Pvc
Glucoso-1-phosphate ADP
Tích lũy câc dạng Glucoso-6-phosphate đường đơn giản vă
chuyển hóa chu Fructoso-6-phosphate thănhvglycer- aldehyde ATP 3-phosphate ADP Fructoso-1,6-diphosphate 2 (Glyceraldehyde-3-phosphate) 2 NAD+ Pvc 2 (1,3-Diphosphoglycerate) 2 ADP 2 NAD.H 2ATP 2 (3-Phosphoglycerate) Oxyhóa khử vă tồng hợp ATP; 2 (2-Phosphoglycerate) Hình thănh
acid lactic 2 (Phosphoenolpyruvate) 2 ADP 2 ATP 2 (Pyruvate) 2NAD+ 2(Lactate)
Hình 11: Sơ đồ tổng quât của quâ trình glycolys
1/ Phản ứng phđn giải bộ khung carbon của glucose thănh acid pyruvic (con đường của câc nguyín tử carbon);
2/ Phản ứng mă trong đó phosphate vô cơ trở thănh nhóm phosphate tận cùng của phđn tử ATP (con đường của câc nhóm phosphate);
3/ Phản ứng oxy-hóa - khử (con đường vận chuyển điện tử). * Câc phản ứng của giai đoạn I.
1/ Phosphoryl-hóa D-glucose. Mg2+
α-D-Glucose + ATP ––––> α -D-Glucoso-6-phosphate + ADP ∆Go' = -4Kcal/mol
Phản ứng năy được xem như phản ứng khởi động của glycolys, trong đó phđn tử glucose kĩm hoạt động nhận gốc phosphate tận cùng của ATP vă phđn bố lại điện tử trong câc liín kết, nhờ đó được hoạt hóa ở dạng glucoso-6-phosphate để có thể tham gia văo câc chuyển hóa tiếp theo. Trong số 7,3Kcal do ATP cung cấp, 4,0 Kcal được giải phóng ở dạng nhiệt, còn 3,3Kcal được tích lũy ở dạng hóa năng trong phđn tử glucoso-6-phosphate hoạt động.
Xúc tâc phản ứng lă câc enzyme hexokinase vă glucokinase mă chúng ta đê được lăm quen trong mục trước. Do năng lượng tự do giảm đâng kể, nín phản ứng chỉ xảy ra theo chiều thuận. Quâ trình ngược lại được xúc tâc bởi một enzyme khâc - α-D-glucoso-6-phosphatase:
α-D-Glucoso-6-phosphate + H2O ––> α-D-Glucose + P i ∆Go ' = -3,3 Kcal/mol.
2/ Chuyển hóa glucoso-6-phosphate thănh fructoso-6-phosphate.
α-D-Glucoso-6-(P) –––> β-D-Fructoso-6-(P)
∆Go' = + 0,4Kcal/mol
Phản ứng đồng phđn hóa năy được thực hiện nhờ enzyme phosphoguco- isomerase. Nó dễ dăng xảy ra theo cả hai chiều. Trong glycolys mặc dù phản ứng thuận có ∆Go' > 0 song vẫn xảy ra được lă nhờ giâ trị đm của phản ứng trước đó. Biến thiín năng lượng tự do tiíu chuẩn của cả hai phản ứng (1) vă (2) gộp lại vẫn còn giâ trị đm (-3,6Kcal/mol).
3/ Phosphoryl-hóa fructoso-6-phosphate thănh fructoso-1,6-diphosphate. Mg2+
β-D-Fructoso-6-(P) + ATP –––> β-D-Fructoso-1,6-di(P) + ADP ∆Go' = -3,4Kcal/mol
Phản ứng năy được xem lă phản ứng khởi động thứ hai, trong đó sử dụng thím một phđn tử ATP để phosphoryl-hóa fructoso-6-phosphate ở vị trí C-1. Trong số 7,3Kcal của ATP 3,9Kcal được tích lũy lại, còn 3,4Kcal được giải phóng. Nếu cộng ∆Go' của cả 3 phản ứng, ta có giâ trị -7,0Kcal, tức K'eq của cả 3 phản ứng > 105 .
Phosphoryl-hóa fructoso-6-phosphate lă giai đoạn rất quan trọng, vì sự điều hòa quâ trình glycolys được thực hiện thông qua điều hòa hoạt tính của enzyme phospho-fructokinase xúc tâc phản ứng năy. Hoạt tính của nó bị ức chế bởi ATP vă citrate (ở nồng độ cao) vă được kích thích bởi ADP vă AMP.
Giâ trị đm cao của ∆Go' cho thấy phản ứng trong tế băo không thể xảy ra theo chiều ngược. Phản ứng ngược được xúc tâc bởi một enzyme khâc. Đó lă diphospho- fructosophosphatase:
Fructoso-1,6-di(P) + H2O ––> Fructoso-6-(P) + Pi
4/ Phản ứng phđn giải fructoso-1,6-diphosphate thănh glyceraldehyde-3- phosphate vă dioxyacetonephosphate:
D-Fructoso-1,6-di(P) ––> Dioxyacetone-(P) + Glyceraldehyde-3-(P) ∆Go' = +5,73Kcal/mol
Phản ứng được xúc tâc bởi enzyme aldolase. Do ∆Go' có giâ trị dương khâ cao nín rất khó hình dung rằng phản ứng có thể xảy ra theo chiều thuận. Tuy nhiín, nhờ tổng biến thiín năng lượng tự do của 3 phản ứng trước đó có giâ trị đm khâ cao (-7,0Kcal/mol), cũng như nhờ sức kĩo nhiệt động học của câc phản ứng sau nó nín phản ứng xảy ra một câch dễ dăng.
5/ Phản ứng chuyển hóa tương hỗ giữa câc dạng triosophosphate: Dioxyacetonephosphate ––> Glyceraldehyde-3-phosphate ∆Go' = +1,83 Kcal/mol
Phản ứng do enzyme triosophosphate isomerase xúc tâc. Nó cần thiết cho glycolys vì trong hai loại triosophosphate xuất hiện khi phđn giải fructoso-1,6- diphosphate chỉ có D-glyceraldehyde-3-phosphate có thể chuyển hóa tiếp tục. Phản ứng năy kết thúc giai đoạn I của glycolys. ∆Go' của hai phản ứng sau cùng cộng lại có giâ trị khoảng +7,5Kcal/mol. Nếu cộng ∆Go' của cả 5 phản ứng của giai đoạn chuẩn bị trín đđy, ta có giâ trị +0,5Kcal/mol. Để glycolys có thể tiếp tục xảy ra, câc phản ứng kế tiếp phải lă những phản ứng giải phóng nhiều năng lượng tự do để tạo ra một sức kĩo nhiệt động học.
* Câc phản ứng của giai đoạn II.
6/ Phản ứng oxy-hóa glyceraldehyde-3-phosphate thănh acid 1,3- diphosphoglyceric.
Đđy lă một trong những giai đoạn quan trọng nhất của glycolys, vì năng lượng giải phóng khi oxy-hóa aldehyde 3-phosphoglyceric được giữ lại ở dạng sản phẩm cao năng 1,3-diphosphoglycerate. Việc phât hiện cơ chế năy do Warburg thực hiện trong những năm 1937-1938 được xem lă một trong những phât minh quan trọng nhất của sinh học hiện đại. Lần đầu tiín trong lịch sử sinh hóa đê phât hiện được cơ chế của câc phản ứng enzyme cho phĩp năng lượng giải phóng trong phản ứng oxy hóa câc phđn tử hữu cơ có thể được tích lũy lại trong câc phđn tử ATP. Toăn bộ quâ trình năy được xúc tâc bởi enzyme glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase. Đđy lă một enzyme có cấu trúc phức tạp. Enzyme thu nhận được từ nấm men có trọng lượng phđn tử 140.000 vă được cấu tạo từ 4 phần dưới đơn vị giống nhau, mỗi phần dưới đơn vị lă một chuỗi polypeptide chứa khoảng 330 gốc aminoacid. Phương trình tổng quât của phản ứng có thể viết dưới dạng sau đđy:
2 -Glyceraldehyde-3-phosphate + 2NAD+ + 2Pi ––> ––> 2(1,3-diphosphoglycerate) + 2NAD.H + 2H+
∆Go' = 2 x 1,5Kcal/mol + 3,0 Kcal. Trong phản ứng năy chức aldehyde của glyceraldehyde-3-phosphate bị oxy-hóa thănh chức carboxyl. Tuy nhiín, thay cho acid 3-phosphoglyceric đê hình thănh acid 1,3-diphosphoglyceric, mă như ta đê biết, có giâ trị đm của ∆G ' còn cao
hơn cả ATP. Phản ứng có giâ trị dương của ∆Go' không lớn lắm nín có thể xảy ra theo cả hai chiều, tùy thuộc văo nồng độ của câc chất ban đầu vă sản phẩm của phản ứng.
Trong khi phần lớn câc phản ứng oxy-hóa lă những phản ứng giải phóng năng lượng thì phản ứng năy lại có ∆Go' > 0. Để hiểu được sự diễn biến năng lượng của nó, cần phải tâch nó thănh hai quâ trình riíng biệt. Ký hiệu glyceraldehyde-3- phosphate lă R-CHO, còn acid 1,3-diphosphoglyceric lă R-COOPO32- , hai quâ trình riíng biệt năy có thể được viết ở dạng như sau:
1/ R-CHO + H2O + NAD+ ––> R-COO- + NAD.H + H+ ∆Go' = -10,3Kcal/mol;
2/ RCOO- + Pi –––––––––––> RCOOPO32- + H2O ∆Go' = +11,8Kcal/mol.
Như vậy, ∆Go's = ∆Go'1 + ∆Go'2 = -10,3 + 11,8 = +1,5Kcal/mol
Nếu tính cả số năng lượng tích lũy lại trong phđn tử NAD.H với giâ trị khoảng 50Kcal/mol (năng lượng năy chỉ có ý nghĩa trong điều kiện hiếu khí), ta sẽ thấy tầm quan trọng to lớn về phương diện năng lượng của phản ứng oxy hóa - khử năy.
Nếu xem xĩt sự biến thiín năng lượng đơn thuần qua câc giâ trị ∆Go' thì cho đến phản ứng năy tổng giâ trị
∆Go' bằng +3,5Kcal/ mol, tức chuyển về phía bất lợi cho glycolys. Cơ chế của quâ trình oxy-hóa quan trọng năy đê được nghiín cứu khâ chi tiết. Kết qủa thu được cho phĩp xđy dựng sơ đồ mô tả trong hình 12.
Mỗi một trong 4 phần dưới đơn vị giống hệt nhau của enzyme liín kết với một phđn tử NAD+ vă có một trung tđm hoạt động mă thănh phần rất quan trọng của nó lă nhóm -SH.
Trước tiín, enzyme kết hợp với NAD+ vă vì thế nhóm -SH bị phong toả. Sau đó chức aldehyde của cơ chất tương tâc với nhóm -SH, tạo ra một thiosemi- acetal. Giai đoạn tiếp theo lă vận chuyển nguyín tử hydro vốn liín kết đồng
hóa trị với glyceraldehyde-3-phosphate đến NAD+ liín kết, khử nó thănh NAD.H,
đồng thời hình thănh thioester giữa nhóm -SH của enzyme với nhóm carboxyl của cơ chất. Phđn tử NAD ở trạng thâi khử vẫn không tâch khỏi enzyme mă nhường
hydro (vă điện tử) của mình cho phđn tử NAD+ (có trong môi trường) để được trở
lại trạng thâi oxy-hóa. Phức hệ giữa cơ chất vă enzyme ở giai đoạn năy được gọi lă acyl-enzyme. Gốc acyl sau đó được chuyển từ nhóm -SH của enzyme sang phđn tử phosphate vô cơ để tạo ra sản phẩm oxy-hóa 1,3-diphosphoglycerate, đồng thời giải phóng enzyme tự do ở dạng oxy-hóa để xúc tâc chu kỳ phản ứng tiếp theo.
Hình 12. Sơ đồ diễn biến của phản ứng oxy hóa glyceraldehyde-3-phosphate thăng acid 1,3-diphosphoglyceric.
7/ Phản ứng vận chuyển nhóm phosphate từ 1,3-diphosphoglycerate đến ADP:
1,3-Diphosphoglycerate hình thănh trong phản ứng trín tiếp tục phản ứng với ADP để tổng hợp ATP:
2(1,3-Diphosphoglycerate) + 2ADP⎯⎯> 2(3-Phosphoglycerate) + 2ATP ∆Go' = -4,5Kcal/mol x 2 = -9,0Kcal
Phản ứng được xúc tâc bởi enzyme phosphoglycerate kinase. Giâ trị đm khâ cao của phản ứng năy lă yếu tố thúc đẩy phản ứng xảy ra rước đó. Đến đđy hai phđn tử ATP được phục hồi, đồng thời tổng giâ trị ∆Go' đê chuyển về phía có lợi (- 5,5Kcal/mol).
Mg2+
2(3-phosphoglycerate) ⎯⎯> 2(2-phosphoglycerate) ∆Go' = +0,75Kcal/mol x 2 = +1,5Kcal
Xúc tâc phản ứng lă enzyme phosphoglyceromutase. Trong phản ứng gốc phosphate từ vị trí C-3 trong acid glyceric được chuyển sang vị trí C-2, nhờ đó lăm tăng tính hoạt động của gốc phosphate trong phđn tử. Do biến thiín năng lượng tự do tiíu chuẩn tương đối thấp nín phản ứng xảy ra theo cả hai chiều.
Enzyme phosphoglyceromutase tồn tại ở hai dạng. Một trong hai dạng năy tạo ra sản phẩm trung gian của phản ứng lă 2,3-diphosphoglycerate, tức tương tự như cơ chế tâc dụng của phosphoglucomutase trong phản ứng chuyển hóa tương hỗ giữa glucoso-6-phosphate vă glucoso-1-phosphate.
9/ Phản ứng dehydrate-hóa
2(2-Phosphoglycerate) ⎯⎯> 2(Phosphoenolpyruvate) + 2H2O ∆Go' = +0,2Kcal/mol x 2 = +0,4Kcal
Đđy lă phản ứng thứ hai của glycolys mă trong đó xuất hiện liín kết cao năng. Nó được xúc tâc bởi enzyme enolase. Hoạt động của enzyme đòi hỏi có mặt Mg2+ hoặc Mn2+. Mặc dù phản ứng về mặt hình thức lă tâch phđn tử nước từ câc nguyín tử carbon thứ hai vă thứ ba của 2-phosphoglycerate, song nó cũng được xem lă một quâ trình oxy-hóa - khử trong nội bộ phđn tử, vì khi tâch bỏ phđn tử nước, mức độ oxy-hóa của nguyín tử C-2 tăng lín, còn của C-3 giảm xuống. Phản ứng không lăm biến đổi đâng kể năng lượng tự do tiíu chuẩn. Tuy nhiín, việc tâch gốc phosphate từ chất ban đầu (2-phosphoglycerate) vă từ sản phẩm (2- phosphoenolpyruvate) kỉm theo những giâ trị biến thiín năng lượng tự do tiíu chuẩn hoăn toăn khâc nhau (-4,2Kcal đối với 2-phosphoglycerate vă -14,8Kcal đối với 2-phosphoenolpyruvate). Như vậy, rõ răng lă phản ứng dehydrate-hóa 2- phosphoglycerate thănh phosphoenol-pyruvate kỉm theo sự bố trí lại năng lượng trong phđn tử.
10/ Phản ứng vận chuyển gốc phosphate từ phosphoenolpyruvate đến ADP: 2 Phosphoenolpyruvate + 2ADP ⎯⎯> 2 Pyruvate + 2ATP
∆Go' = -7,5Kcal/mol x 2 = -15,0Kcal
Phản ứng được xúc tâc bởi enzyme pyruvate kinase. Rõ răng phản ứng cuối cùng năy của glycolys rất thuận lợi về năng lượng vă K'eq của nó > 109 . Hơn thế nữa, hai phđn tử ATP lại được hình thănh lă phần lợi nhuận thu được của tế băo nhờ glycolys. Ta có thể tính được tổng biến thiín năng lượng tự do tiíu chuẩn của toăn bộ quâ trình lă -19,4Kcal/mol glucose.