Bước đầu tiên của trao đổi glucose là biến nó thành glucoso-6-phosphate sau khi nó đi vào tế bào. Glucoso-6-phosphate là một ngã tư quan trọng của trao đổi glucose vì nó tham gia vào một số con đường trao đổi tiếp theo: 1/ tổng hợp và phân hủy glycogen, 2/ sản sinh lactate và ATP (glycolys), 3/ gluconeogenes, và 4/ tổng hợp pentose và các hexose khác. Thủy phân glucoso-6-phosphate thành glucose và Pi cũng là một hướng chuyển hóa của glucoso-6-phosphate xảy ra trong gan, thận và đường ruột và là biện pháp chủ yếu để duy trì hàm lượng bình thường của glucose trong máu. Vì vậy, trước hết cần phải xem xét cơ chế vận chuyển glucose vào tế bào, các enzyme xúc tác các quá trình hình thành và thủy phân glucoso-6-phosphate và các cơ chế điều hòa các quá trình này.
1.
Sư ù thõ m nhậ p củ a glucos e và o te ỏ bào.
trong khi đó nồng độ glucose trong máu là vào khoảng 5mM, tức khoảng 90mg trong một dl máu. Vì vậy sự thâm nhập glucose vào tế bào xảy ra theo chiều gradient nồng độ. Tuy nhiên nó không xảy ra bằng cách khuếch tán đơn giản và thụ động mà cần có một hệ thống vận chuyển đặc hiệu. Có hai kiểu hệ thống vận chuyển chủ yếu được ghi nhận: phụ thuộc và không phụ thuộc insulin.
Các hệ thống vận chuyển không phụ thuộc insulin được tìm thấy trong tế bào gan (hepatocyte), tế bào hồng cầu (erythrocyte) và não. Trong hepatocyte tốc độ tiếp nhận D-glucose bị ức chế bởi florizin, một glycoside của một độc tố polyphenol thực vật, và cytochalasin B. Galactose và fructose cũng được tiếp nhận bởi hệ thống này 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 là 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.
Các hệ thống vận chuyển phụ thuộc insulin: Tế bào cơ và tế bào tạo mỡ (adipocyte) có các hệ thống vận chuyển glucose phụ thuộc insulin. Các nghiên cứu với adipocyte cho thấy insulin làm tăng Vmax nhưng không làm thay đổi hằng số cân bằng của phản ứng vận chuyển glucose. Hơn nữa, nếu gắn insulin với receptor của glucose trên màng tế bào chất, quá trình vận chuyển glucose sẽ bị ảnh hưởng theo hai cách khác nhau: 1/ chuyển các protein vận chuyển glucose từ màng microsome nội bào đến màng tế bào chất và bằng cách đó làm tăng số lượng protein vận chuyển glucose trên màng tế bào chất; và 2/ sau khi di chuyển, hoạt tính của protein vận chuyển tăng lên khoảng hai lần so với trường hợp không xử lý insulin.
Tế bào vi khuẩn cũng có một số hệ thống vận chuyển glucose thuộc cả hai loại: cần cung cấp năng lượng và không cần cung cấp năng lượng. Loại hệ thống cần cung cấp năng lượng được tìm thấy trong Escherichia coli, Salmonella typhimurium và Staphylococcus aureus, và sử dụng phosphoenolpyruvate làm nguồn năng lượng với sự tham gia của ba loại protein khác nhau. Ở bước thứ nhất của quá trình này do enzyme I xúc tác phospho-enolpyruvate phản ứng với một protein trong bào tương (MW=9.400) có tên là 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 tác của enzyme II:
P ~ HPr + Glucose –––––––––> glucoso-6-phosphate + HPr Bằng cách này glucose ngoại bào trở thành glucoso-6-phosphate nội bào.
2.
Phosphoryl-hú a glucose . Hexokinas e va ứ glucokinase.
Mọi tế bào cần trao đổi glucose đều chứa các enzyme kinase để xúc tác phản ứng phosphoryl hóa glucose thành glucoso-6-phosphate với sự tham gia cuûa ATP.
Có hai loại kinase tham gia trong quá trình này là hexokinase và glucokinase.
Cả hai cùng xúc tác một phản ứng nhưng có các tính chất phân tử và động học khác
Trao đổi chất và năng
lượng - 33 -
GS.TS. Mai Xuaân Lửụng
Khoa Sinh học
http://www.ebook.edu.vn
nhau. Phức hệ Mg2+-ATP được sử dụng như một cơ chất và phản ứng không có tính thuận ngịch, với Go'= -5Kcal/mol, do mức năng lượng của glucoso-6- phosphate thấp hơn và trạng thái của phức hệ Mg2+-ADP ổn định hơn so với phức hệ Mg2+- ATP.
Hexokinase được tìm thấy trong tất cả các mô và tồn tại ở 3 dạng isoenzyme I, II và III. Trong não chủ yếu chứa dạng I, còn trong cơ vân chủ yếu chứa dạng II, nhưng trong tất cả các mô, trừ gan, đều có mặt cả 3 dạng với số lượng khác 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 các monosaccharide khác làm cơ chất để tạo ra các 6-phosphate tương ứng.
Glucoso-6- phosphate là chất ức chế đối với cả 3 dạng và tác dụng ức chế thể hiện khi chất này gắn với một trung tâm không phải là trung tâm hoạt động.
Dạng hexokinase II chủ yếu có mặt trong bào tương, trong khi dạng I vừa nằm trong bào tương vừa gắn với ty thể.
Khác với các 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), và hoạt tính của nó không chịu ảnh hưởng của glucoso-6- phosphate.
Glucokinase, thường được gọi là hexokinase IV, là một protein monomer (MW=48.000), hầu như chỉ có mặt trong gan. Chỉ có glucose và mannose là cơ chất tự nhiên của nó và giá trị Km tương ứng đối với hai cơ chất này là 12 và 33 mM. Cùng với gía trị Km khá cao đối với glucose, glucokinase còn khác hexokinase ở chỗ hoạt tính của nó không bị glucoso-6-phosphate ức chế. Các tính chất này thể hiện qua sự khác nhau giữa vận chuyển glucose vào gan và vào các mô khác. Mặc dù quá trình trao đổi bình thường của glucose trong gan chịu ảnh hưởng của insulin, gan không đòi hỏi insulin để tiếp nhận glucose. Tế bào gan dễ dàng cho phép glucose di chuyển ra vào. Hơn nữa, khác với các mô như cơ và 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 cái bẫy đối với lượng glucose-huyết dư thừa trong gan, không chịu sự chi phối của nồng độ glucoso-6- phosphate, và bằng cách đó cho phép tích lũy glucose ở dạng glycogen hoặc acid béo sau khi nó được tiếp tục chuyển hóa. Rõ ràng là tính chất của enzyme hoàn toàn thích nghi với vai trò của nó trong trao đổi chất tế bào.
Hàm lượng glucokinase trong gan phụ thuộc tuổi, chế độ ăn uống và trạng thái hormone của cơ thể động vật. Trong gan của bào thai chỉ chứa hexokinase; hàm lượng của nó giảm xuống sau khi sinh cùng với sự xuất hiện glucokinase. Điều này có thể liên quan với đời sống của bào thai mà trong đó glucose được cung cấp qua nhau. Hàm lượng glucokinase cũng rất phụ thuộc vào việc sử dụng glucid trong chế độ ăn uống: cung cấp glucose cho động vật là một yếu tố kích thích tổng hợp glucokinase. Nguyên nhân của bệnh tiểu đường cũng có thể là do insulin ảnh hưởng đến việc tổng hợp protein enzyme. Một số hormone khác cũng có tác dụng điều hòa mức độ glucokinase: epinephrine và glucagon ức chế sự khôi phục glucokinase trong các động vật nhịn đói sau khi phục hồi cung cấp glucose, trong khi đó các hormone corticoid của tuyến vỏ
Trao đổi chất và năng
lượng - 34 -
GS.TS. Mai Xuaân Lửụng
Khoa Sinh học
http://www.ebook.edu.vn
thượng thận giúp nhanh chóng khôi phục việc tổng hợp glucokinase của gan khi tiếp tục cung cấp thức ăn.
Trao đổi chất và năng
lượng - 34 -
GS.TS. Mai Xuaân Lửụng
Khoa Sinh học
http://www.ebook.edu.vn
3.
Dephosphryl-hóa glucose. Glucoso-6-phosphatase.
Glucoso-6-phosphate có tác dụng góp phần duy trì nồng độ glucose trong máu khi nó bị thủy phân thành glucose và phosphate vô cơ. Enzyme glucoso-6- phosphatase : xúc tác phản ứng
Mg2+
Glucoso-6-phosphate + H2O ––––––> Glucose + Pi
được tìm thấy trong gan, thận và đường ruột, tức ba cơ quan có vai trò trong việc cung cấp bổ sung glucose cho máu.
Glucoso-6-phosphatase là một enzyme liên kết với màng của mạng nội chất nhám và là một hệ thống gồm 4 thành phần, như mô tả trong hình 10. Hệ thống này bao gồm: 1/ glucoso-6-phosphate translocase, ký hiệu là T1, có nhiệm vụ vận chuyển glucose từ bào tương vào khoang của mạng nội chất; 2/ phosphatase, nằm về phía khoang của mạng nội chất, làm nhiệm vụ thủy phân glucoso-6- phosphate; 3/ một loại phosphate translocase vô cơ, ký hiệu là T2 , giúp vận chuyển Pi từ mạng nội chất ra bào tương và 4/ glucose translocase, ký hiệu là T3 , giúp glucose di chuyển từ khoang của mạng nội chất ra phía bào tương một cách dễ dàng. Trong chuỗi phản ứng có sự tham gia của carbamoyl-phosphate (CP).
Hình10. Sơ đồ cấu tạo của hệ thống glucoso-6-phosphatase