Bước đầu tiín của trao đổi glucose lă biến nó thănh glucoso-6-phosphate sau khi nó đi văo tế băo. Glucoso-6-phosphate lă một ngê tư quan trọng của trao đổi glucose vì nó tham gia văo một số con đường trao đổi tiếp theo: 1/ tổng hợp vă phđn hủy glycogen, 2/ sản sinh lactate vă ATP (glycolys), 3/ gluconeogenes, vă 4/ tổng hợp pentose vă câc hexose khâc. Thủy phđn glucoso-6-phosphate thănh glucose vă Pi cũng lă một hướng chuyển hóa của glucoso-6-phosphate xảy ra trong gan, thận vă đường ruột vă lă biện phâp chủ yếu để duy trì hăm lượng bình thường của glucose trong mâu. Vì vậy, trước hết cần phải xem xĩt cơ chế vận chuyển glucose văo tế băo, câc enzyme xúc tâc câc quâ trình hình thănh vă thủy phđn glucoso-6-phosphate vă câc cơ chế điều hòa câc quâ trình năy.
1. Sự thđm nhập của glucose văo tế băo.
trong khi đó nồng độ glucose trong mâu lă văo khoảng 5mM, tức khoảng 90mg trong một dl mâu. Vì vậy sự thđm nhập glucose văo tế băo xảy ra theo chiều gradient nồng độ. Tuy nhiín nó không xảy ra bằng câch khuếch tân đơn giản vă thụ động mă cần có một hệ thống vận chuyển đặc hiệu. Có hai kiểu hệ thống vận chuyển chủ yếu được ghi nhận: phụ thuộc vă không phụ thuộc insulin.
Câc hệ thống vận chuyển không phụ thuộc insulin được tìm thấy trong tế băo gan (hepatocyte), tế băo hồng cầu (erythrocyte) vă nêo. Trong hepatocyte tốc độ tiếp nhận D-glucose bị ức chế bởi florizin, một glycoside của một độc tố polyphenol thực vật, vă cytochalasin B. Galactose vă fructose cũng được tiếp nhận bởi hệ thống năy với tốc độ thấp hơn so với glucose. Sự tiếp nhận glucose trong erythrocyte cũng bị phlorizin ức chế nhưng không có quan hệ với lisulin. Người ta cho rằng chất vận chuyển glucose trong erythrocyte lă một protein (MW=200.000) cấu tạo từ 4 phần dưới đơn vị có kích thước như nhau. Cơ chế vận chuyển hexose trong hepatocyte cũng rất giống với cơ chế trong erythrocyte.
Câc hệ thống vận chuyển phụ thuộc insulin: Tế băo cơ vă tế băo tạo mỡ (adipocyte) có câc hệ thống vận chuyển glucose phụ thuộc insulin. Câc nghiín cứu với adipocyte cho thấy insulin lăm tăng Vmax nhưng không lăm thay đổi hằng số cđn bằng của phản ứng vận chuyển glucose. Hơn nữa, nếu gắn insulin với receptor của glucose trín măng tế băo chất, quâ trình vận chuyển glucose sẽ bị ảnh hưởng theo hai câch khâc nhau: 1/ chuyển câc protein vận chuyển glucose từ măng microsome nội băo đến măng tế băo chất vă bằng câch đó lăm tăng số lượng protein vận chuyển glucose trín măng tế băo chất; vă 2/ sau khi di chuyển, hoạt tính của protein vận chuyển tăng lín khoảng hai lần so với trường hợp không xử lý insulin.
Tế băo vi khuẩn cũng có một số hệ thống vận chuyển glucose thuộc cả hai loại: cần cung cấp năng lượng vă không cần cung cấp năng lượng. Loại hệ thống cần cung cấp năng lượng được tìm thấy trong Escherichia coli, Salmonella typhimurium vă Staphylococcus aureus, vă sử dụng phosphoenolpyruvate lăm nguồn năng lượng với sự tham gia của ba loại protein khâc nhau. Ở bước thứ nhất của quâ trình năy do enzyme I xúc tâc phospho-enolpyruvate phản ứng với một protein trong băo tương (MW=9.400) có tín lă HPr để tạo ra phospho-HPr:
Enzyme I
Phosphoenolpyruvate + HPr ––––––––> Pyruvate + P ~ HPr Mg2+
Để được vận chuyển, glucose phản ứng với P ~ HPr, tạo ra glucoso-6- phosphate với sự xúc tâc của enzyme II:
P ~ HPr + Glucose –––––––––> glucoso-6-phosphate + HPr Bằng câch năy glucose ngoại băo trở thănh glucoso-6-phosphate nội băo.
2. Phosphoryl-hóa glucose. Hexokinase vă glucokinase.
Mọi tế băo cần trao đổi glucose đều chứa câc enzyme kinase để xúc tâc phản ứng phosphoryl hóa glucose thănh glucoso-6-phosphate với sự tham gia của ATP.
nhau. Phức hệ Mg2+-ATP được sử dụng như một cơ chất vă phản ứng không có tính thuận ngịch, với ∆Go'= -5Kcal/mol, do mức năng lượng của glucoso-6-phosphate
thấp hơn vă trạng thâi của phức hệ Mg2+-ADP ổn định hơn so với phức hệ Mg2+-
ATP.
Hexokinase được tìm thấy trong tất cả câc mô vă tồn tại ở 3 dạng isoenzyme I, II vă III. Trong nêo chủ yếu chứa dạng I, còn trong cơ vđn chủ yếu chứa dạng II, nhưng trong tất cả câc mô, trừ gan, đều có mặt cả 3 dạng với số lượng khâc nhau. Tính chất động học của 3 dạng rất giống nhau, có gía trị Km thấp đối với glucose (từ 8 đến 30 micromol). Mỗi dạng đều có thể sử dụng câc monosaccharide khâc lăm cơ chất để tạo ra câc 6-phosphate tương ứng. Glucoso-6- phosphate lă chất ức chế đối với cả 3 dạng vă tâc dụng ức chế thể hiện khi chất năy gắn với một trung tđm không phải lă trung tđm hoạt động. Dạng hexokinase II chủ yếu có mặt trong băo tương, trong khi dạng I vừa nằm trong băo tương vừa gắn với ty thể.
Khâc với câc dạng hexokinase của động vật có vú chỉ chứa một phần dưới đơn vị với MW-100.000, hexokinase nấm men chứa hai phần dưới đơn vị giống nhau (MW=50.000), vă hoạt tính của nó không chịu ảnh hưởng của glucoso-6- phosphate.
Glucokinase, thường được gọi lă hexokinase IV, lă một protein monomer (MW=48.000), hầu như chỉ có mặt trong gan. Chỉ có glucose vă mannose lă cơ chất tự nhiín của nó vă giâ trị Km tương ứng đối với hai cơ chất năy lă 12 vă 33 mM.
Cùng với gía trị Km khâ cao đối với glucose, glucokinase còn khâc hexokinase ở
chỗ hoạt tính của nó không bị glucoso-6-phosphate ức chế. Câc tính chất năy thể hiện qua sự khâc nhau giữa vận chuyển glucose văo gan vă văo câc mô khâc. Mặc dù quâ trình trao đổi bình thường của glucose trong gan chịu ảnh hưởng của insulin, gan không đòi hỏi insulin để tiếp nhận glucose. Tế băo gan dễ dăng cho phĩp glucose di chuyển ra văo. Hơn nữa, khâc với câc mô như cơ vă mô mỡ, trong đó sự tiếp nhận glucose phụ thuộc insulin, glucose chỉ được gan tiếp nhận trong điều kiện đường huyết cao. Như vậy, glucokinase có vai trò như một câi bẫy đối với lượng glucose-huyết dư thừa trong gan, không chịu sự chi phối của nồng độ glucoso-6- phosphate, vă bằng câch đó cho phĩp tích lũy glucose ở dạng glycogen hoặc acid bĩo sau khi nó được tiếp tục chuyển hóa. Rõ răng lă tính chất của enzyme hoăn toăn thích nghi với vai trò của nó trong trao đổi chất tế băo.
Hăm lượng glucokinase trong gan phụ thuộc tuổi, chế độ ăn uống vă trạng thâi hormone của cơ thể động vật. Trong gan của băo thai chỉ chứa hexokinase; hăm lượng của nó giảm xuống sau khi sinh cùng với sự xuất hiện glucokinase. Điều năy có thể liín quan với đời sống của băo thai mă trong đó glucose được cung cấp qua nhau. Hăm lượng glucokinase cũng rất phụ thuộc văo việc sử dụng glucid trong chế độ ăn uống: cung cấp glucose cho động vật lă một yếu tố kích thích tổng hợp glucokinase. Nguyín nhđn của bệnh tiểu đường cũng có thể lă do insulin ảnh hưởng đến việc tổng hợp protein enzyme. Một số hormone khâc cũng có tâc dụng điều hòa mức độ glucokinase: epinephrine vă glucagon ức chế sự khôi phục glucokinase trong câc động vật nhịn đói sau khi phục hồi cung cấp glucose, trong khi đó câc hormone corticoid của tuyến vỏ thượng thận giúp nhanh chóng khôi phục việc tổng hợp glucokinase của gan khi tiếp tục cung cấp thức ăn.
3. Dephosphryl-hóa glucose. Glucoso-6-phosphatase.
Glucoso-6-phosphate có tâc dụng góp phần duy trì nồng độ glucose trong mâu khi nó bị thủy phđn thănh glucose vă phosphate vô cơ. Enzyme glucoso-6- phosphatase : xúc tâc phản ứng
Mg2+
Glucoso-6-phosphate + H2O ––––––> Glucose + Pi
được tìm thấy trong gan, thận vă đường ruột, tức ba cơ quan có vai trò trong việc cung cấp bổ sung glucose cho mâu.
Glucoso-6-phosphatase lă một enzyme liín kết với măng của mạng nội chất nhâm vă lă một hệ thống gồm 4 thănh phần, như mô tả trong hình 10. Hệ thống năy bao gồm: 1/ glucoso-6-phosphate translocase, ký hiệu lă T1, có nhiệm vụ vận chuyển glucose từ băo tương văo khoang của mạng nội chất; 2/ phosphatase, nằm về phía khoang của mạng nội chất, lăm nhiệm vụ thủy phđn glucoso-6-phosphate; 3/ một loại phosphate translocase vô cơ, ký hiệu lă T2 , giúp vận chuyển Pi từ mạng nội chất ra băo tương vă 4/ glucose translocase, ký hiệu lă T3 , giúp glucose di chuyển từ khoang của mạng nội chất ra phía băo tương một câch dễ dăng. Trong chuỗi phản ứng có sự tham gia của carbamoyl-phosphate (CP).
Hình10. Sơ đồ cấu tạo của hệ thống glucoso-6-phosphatase