chuyển hóa sinh học và các sản phẩm trao đổi chất acid lipoic

- Phức hợp glycine cleavage GCV: các tiểu đơn vị protein của GCV không hình thành một phức hợp ổn định mà lại hoạt động như những protein độc lập gồm:+ Protein P protein chứa pyridoxal p

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA SINH HỌC-CÔNG NGHỆ SINH HỌC

CHUYỂN HÓA SINH HỌC

NỘI DUNG

I TỔNG QUAN VỀ LIPOATE

II LIPOATE TRONG XÚC TÁC

III CƠ CHẾ LIPOYL HÓA

IV LIPOATE LÀ CHẤT CHỐNG OXY HÓA

V CHUYỂN HÓA LIPOATE Ở VI KHUẨN

VI CHUYỂN HÓA LIPOATE Ở NẤM

VII CHUYỂN HÓA LIPOATE Ở ĐỘNG VẬT NGUYÊN SINH

TỔNG QUAN VỀ LIPOATE

1 Lipoate

chuyển hóa carbon

TỔNG QUAN VỀ LIPOATE

acetate)

TỔNG QUAN VỀ LIPOATE

Các phức hợp đa enzyme phụ thuộc vào lipoate

2 Cấu trúc của các phức hợp lipoated.

- Các phức hợp α-ketoacid dehydrogenase và acetoin dehydrogenase:

+ Lõi là các trimers E2 được sắp xếp sao cho các vùng lipoyl hóa

được lộ ra mặt ngoài của phức hợp để tương tác với các tiểu đơn vị ngoại vi

E1 và E3.

+ Dimeric E1 (hoặc heterotetrameric α2β2 E1) và dimeric E3 được

sắp xếp xung quanh các lõi E2.

+ E1 của PDH ở hầu hết các vi khuẩn Gram âm và tất cả KDH là

homodimeric (α2), E1 của PDH ở vi khuẩn Gram dương và tất cả BCDH và

AoDH là heterotetramers (α2β2)

+ E1 chứa hai cofactor thiamine pyrophosphate (TPP) hoạt động

thuận nghịch trong xúc tác.

TỔNG QUAN VỀ LIPOATE

- Phức hợp glycine cleavage (GCV): các tiểu đơn vị protein của GCV không hình thành một phức hợp ổn định mà lại hoạt động như những protein độc lập gồm:

+ Protein P (protein chứa pyridoxal phosphat)

+ Protein H (protein vận chuyển hydrogen)

+ Protein T (protein chứa tetrahydrofolate)

+ Protein L (lipoamide dehydrogenase)

TỔNG QUAN VỀ LIPOATE

LIPOATE TRONG XÚC TÁC

1 Cơ chế xúc tác

• E1: sự khử carbon của α-ketoacids => acylates + giải phóng CO2.

• E2: chuyển acyl từ dihydrolipoamide đến coenzyme A => acyl-CoA.

• E3: oxy hóa dihydrolipoamide => lipoamide

- Phức hợp AoDH: cơ chế phản ứng tương tự phức α-ketoacid dehydrogenase, cơ chất là acetoin

(3-hydroxy-2-butanone) và giải phóng acetaldehyde

• Protein P xúc tác phản ứng khử carboxyl của glycine.

• Methyleneamine được gắn đồng hóa trị với dihydrolipoamide trên protein H.

• Protein T xúc tác sự giải phóng NH3 từ methyleneamine và sự chuyển đổi của nhóm methylene từ THF =>

5,10-CH2-THF

• Protein L xúc tác quá trình oxy hóa hai electron của dihydrolipoamide => lipoamide.

E coli có con đường tổng hợp và khử lipoate xảy ra độc lập với

nhau

CƠ CHẾ LIPOYL HÓA

2 cơ chế biến đổi sau dịch mã của protein về lipoate là:

Bước 2: 2 nguyên tử S được thêm vào bởi LipA, hình thành dithiolane lipoate

1 Tổng hợp lipoate

- Trong ti thể và plastid thực vật, có các LipB và các paralog LipA

+ Trong plastid cần phải có FAS loại II để tạo sản phẩm là octanoyl – ACP

+ Trong ti thể, mặc dù có lipoate ligase nhưng nguồn chủ yếu tổng hợp ra octanoyl – ACP do

FAS loại II

- Ở một số sinh vật nhân thực khác, đặc biệt là ở ti thể nấm men, có số lượng khá nhiều FAS

loại II  tổng hợp lipoate càng nhiều

- Ở động vật có vú, lipoate có thể cung cấp từ thức ăn, lipoate theo dòng máu đến các enzyme

mục tiêu vào ti thể của tế bào

Mitochondrial Octanoyl – ACP synthesis

Lipoate ligase

LplA

- Bước 1: ATP hoạt hóa lipoate tự do  hình thành phức lipoyl-AMP

- Bước 2: phản ứng tại gốc carboxyl với lysine trên apoprotein tạo thành liên kết

lipoamide

ATPPPi

Lipoamidase Phân cắt liên kết lipoamide

và giải phóng ra lipoate tự do

3 Tách lipoate

Lpa

- Năm 1950, Reed và các cộng sự phát hiện ra rằng một phần nào đó hoạt tính của enzyme

tinh sạch từ E faecalis không còn hoạt tính trong phức hợp PDH đồng thời giải phóng ra

lipoate tự do

Enterococcus faecalis

- Lpa chỉ mới phát hiện gần đây:

+Khối lượng 80 kDa

+Vùng amidase có đầu N-terminal đặc trưng bởi Ser-Ser-Lys nhưng vùng C-terminal vẫn chưa rõ chức năng

- Lipoate và dihydrolipoate có vai trò quan trọng trong phản ứng oxi

3 Lipoate là chất chống oxi hóa

Lipoate có thể tan trong lipid lẫn trong nước, có khả năng tương tác với các chất chống oxi hóa khác tạo màng tế bào có thể chống oxi hóa

Glutathione (GSH)

Dihydrolipoate hoạt động cùng chất chống oxy hóa, có khả năng sinh ra các dạng

hoạt động của chất chống oxy hóa khác như vitamin C, glutathione, coenzyme Q10,

vitamin E…

3 Lipoate là chất chống oxi hóa

Tocopherol

Chuyển hóa lipoate ở vi khuẩn-khuẩn gram âm

và Campylobacter)

Chlamydiae (bệnh đau mắt hột )

- Bộ gen: chu kì TCA, phức hợp KDH,

phức hợp lipoate thứ cấp(tiểu phần

E1, E1, E2 - giống PDH).

- PDH xúc tác phản ứng khử

pyruvate => acetyl coenzyme A

(acetyl-CoA) mà chu kỳ TCA cần

-B pseudomallei ( gây bệnh melioidosis).

+bộ gen: bốn genes BCDH giả định mã hóa các tiểu phần E1,E1,E2,E3 Gene LipB -B pertussis ( gây bệnh ho gà).

+bộ gen: gene mã hóa cho E1, E1 BCDH.

-LipB bị gián đoạn làm yếu đi tính độc hại

- Bộ gen; mã hóa PDH, KDH, BCDH, GCV,

và acetoin dehydrogenase.(phức lipoylated )

- tính độc do một hệ thống bài tiết loại III (T3SS) quyết định acetyl-CoA thúc đẩy biểu hiện của T3SS.

- P aeruginosa đột biến PDH không gây độc ở chuột

- Bộ gen: không mã hóa bất kỳ phức hợp lipoylated hoặc các enzym tham gia vào lipoylation.

-Chu trình TCA:

+enzyme kỵ khí -ketoglutarate oxidoreductase (KOR) tạo succinylCoA thay KDH.

+flavodoxin oxidoreductase (POR) tạo acetyl-CoA thay PDH

- C.trachomatis : bộ gen tương tự Rickettsia nhưng chứa một phức hợp BCDH bất thường Phức GCV chỉ còn protein H.

2.Vi khuẩn gram dương

Actinobacteria

• Chứa nhiều GC và chủ yếu sống hiếu khí.

• Có thể tổng hợp các lypoate, không tổng hợp được

lipoate ligase

• Gồm có nhiều chi trong đó có Corynebacterium

diphtheria, Mycobacterium tuberculosis và

Mycobacterium leprae là vi khuẩn hiếu khí, sống

• Chia thành 2 lớp Bacilli và Clostridia, lớp

Bacilli chia làm 2 bộ Lactobacillales

b: LipB và Lipa được mã hóa gần cụm gen này.

c: Một protein nhị chức mà thiếu một miền lipoylation và đã được chứng minh là có α-ketoglutarate decarboxylase

d: M tuberculosis PDH E2 (DlaT) và E3 (LpdC) đã được chứng

minh có chức năng như các thành phần PDH Hai protein E3 tiềm năng khác (LPDA và LpdB) có vai trò khác.

Actinobacteria

• M tuberculosis tồn tại ở các phế nang phổi của vật chủ và phải chịu một lượng oxi và

ni tơ cao ở vật chủ

hợp chống oxy hóa

M tuberculosis

Sự xáo trộn dlaT (DlaT) làm cho phức NPPR và PDH không hoạt động và do đó ảnh hưởng đến stress oxy hóa và chuyển hóa trung gian

In vitro, đột biến DlaT của M tuberculosis cho thấy tăng sự nhạy cảm với “stress nitrosative” và vi khuẩn dễ bị tiêu hóa bởi đại thực bào, không thể

phát triển trên glucose và glycerol

In vivo, DlaT vi khuẩn tồn tại nhưng không gây ra bệnh lý nghiêm trọng

sự gián đoạn của dlaT gây hiệu ứng ít nghiêm trọng in vivo hơn in vitro

M tuberculosis

PDH KDH BCDH GCV AoDH

Bacillus anthracis Ames E1α, AAP27907; E1β,

AAP27906;

E2,AAP27905; E3, AAP27904

Ngành Fimictes

Lớp Bacilli

Bộ Bacillales

e: LplA được mã hóa gần cụm gen này.

f :E2 protein không chứa một miền lipoylation.

g: Một miền lipoylation được tìm thấy ở một đầu amin của protein E3.

22

e: LplA được mã hóa gần cụm gen này.

f :E2 protein không chứa một miền lipoylation.

g: Một miền lipoylation được tìm thấy ở một đầu amin của protein E3.

h: Một protein nhị chức.

• Các E2 của AodH thiếu vùng lipoyl

nó điều chỉnh hoạt động của các enzyme này

cần thiết cho sự phát triển ở các động vật có vú

S pneumoniae

S Pneumoniae bị bất hoat gen DLDH

Gây bệnh

• Trong các loài Bacillus, phức hợp lipoylation có thể

điều tiết, hình thành bào tử

• B subtilis hình thành bào tử, được kiểm soát thông qua PDH

vào 2 vùng binding site nằm trong vùng promoter của pdhC

B subtilis

o E2 của PDH B subtilis bám vào vùng Ori, ức chế sao chép DNA

o E2 của PDH ở Bacillus thuringiensis bám lên DNA điều chỉnh biểu hiện gen

prototoxin trong hình thành bào tử

• Không hình thành bào tử ,là một vi khuẩn nội bào, yếm khí tuỳ ý.

• Dị tăng trưởng lipoate (thụ động),có chứa nhiều bản sao lipoate ligase

• Có hai bản sao ligase lipoate, gọi LplA1 và LplA2

• LplA1 là cần thiết cho sự phát triển nội bào , có thể sử dụng lipoyl-peptide có nguồn gố từ

vật chủ

• LplA2 chỉ sử dụng lipoate tự do như cơ chất

• BCDH có vai trò trong tổng hợp acid béo phân nhánh (BCFAs), trong khi các chất chuyển

hóa được sản xuất bởi PDH và GCV có thể lấy từ các tế bào chủ

• Các protein H (231) và E2 của PDH đã được xác định là protein được tiết ra một cách độc

lập nhờ hệ thống SecA2

L monocytogenes

Chuyển hóa lipoate ở nấm

Cơ chế của Lipoylation

(kí hiệu Lip5.

(kí hiệu Lip3) E.coli; Tuy nhiên, enzyme này không có

khả năng tinh sạch lipoate tự do.

GCV Xóa các protein H phá vỡ tất cả các protein

lipoylation trong S cerevisiae.

Chuyển hóa lipoate ở nấm

.Xóa các protein H phá vỡ tất cả các protein lipoylation trong S

cerevisiae

các phức lipoate phụ thuộc PDH, KDH, và GCV

Chuyển hóa lipoate ở nấm

Sự điều chỉnh trao đổi chất

Tổng hợp Acetyl-CoA

tổng hợp octanoate thấp =>giảm lipoylation protein H =>hạn chế hoạt

động của PDH và KDH

nguồn :dị hóa acid amin, PDH bypass pathway, và oxy hóa beta của

axit béo , quá trình tổng hợp lipoate kích hoạt các PDH và KDH

Chuyển hóa lipoate ở nấm

• Sự điều chỉnh trao đổi chất

Trong nấm men:

RPM1

tiết quy trình của các RNA của ty lạp thể

RPM1 => RNase P mất hoạt tính => hạn chế sự biểu hiện của một

loạt các gen ty thể, bao gồm cả rRNAs và tRNA, cũng như các gen

mã hóa protein thành phần của các phức hợp chuỗi hô hấp và các

enzym tổng hợp ATP

Chuyển hóa lipoate ở nấm

• So sánh bộ gen ở các loài nấm gây bệnh

RNA RPM1 Các loài Candida khác nhau trình tự và độ dài của RNA RPM1 khác nhau Tuy nhiên, vùng cấu trúc cốt lõi

được bảo tồn làm nó có cơ chế chung điều chỉnh kích hoạt RNase P gây bệnh ở nấm men.

Chuyển hóa lipoate ở nấm

SỰ CHUYỂN HÓA LIPOATE

Ở ĐỘNG VẬT NGUYÊN SINH

CHUYỂN HÓA LIPOATE Ở ĐỘNG VẬT NGUYÊN SINH

Plasmodium falciparum Toxoplasma gondii Cryptossdporidium parvum

Đã giải trình tự

Plasmodium falciparum Toxoplasma gondii Cryptossdporidium parvum

Tập trung vào sự lipoyl hóa ở P falciparum và T gondii, hai

apicomplexans trong đó sự chuyển hóa lipoate đã được nghiên cứu thực nghiệm

CHUYỂN HÓA LIPOATE Ở ĐỘNG VẬT NGUYÊN SINH

• Có nhiều đặc điểm tương tự với những gì quan sát được ở prokaryote,đặc biệt là vi khuẩn Gram dương.

• Các tiểu đơn vị E1 của PDH và BCDH được cấu tạo từ E1α và E1β protein và có thể dạng heterotetramers.

• Các KDH E1 được sản xuất như là một loại protein đơn và có thể là homodimeric.

• Các protein E2 của KDH và BCDH có một vùng lipoyl duy nhất, trong khi của PDH có hai vùng lipoyl và đã được chứng minh là có hoạt tính xúc tác

• Một trong những đặc điểm bất thường của các phức hợp protein lipoylated ở P falciparum là thiếu một protein P xác định của GCV.

• Các thành phần của protein T và H và có thể là một loại protein P khác ở loài này chưa được xác định.

Plasmodium falciparum

Bốn phức hợp protein lipoylated được tìm thấy ở P

falciparum được phân chia ra ở ty thể và apicoplast

Protein E1α và E1β của PDH của P falciparum đã được định vị chuyên biệt ở bào quan apicoplast Các apicoplast

cũng chứa một E3 dihydrolipoamide dehydrogenase, được cho là dành riêng cho phức hợp PDH.

CHUYỂN HÓA LIPOATE Ở ĐỘNG VẬT NGUYÊN SINH

Ký sinh trùng sốt rét mã hóa các enzyme cần thiết cho việc thu lượm và tổng hợp lipoate: ortholog

đơn của lipoate synthaseở E.coli (LipA), octanoyl transferase (LipB) và hai ortholog của lipoate ligase.

Enzyme LipA và LipB của P falciparum (PfLipA và PfLipB) bổ sung về chức năng cho các chủng

mà gene ortholog với E.coli của chúng bị gián đoạn => có thể tổng hợp lipoate.

+Cả 2 enzyme được mã hóa trong nhân và chứa peptide mục tiêu đuôi amino với các cấu trúc bắt buộc để nhập vào apicoplast.

+peptide mục tiêu của PfLipA nhắm 1 protein chỉ thị đến ngăn khác ty thể.

Tổng hợp lypoate trong apicoplast

2 enzyme lipoate ligase của P falciparum khác rất khác nhau (15% bp tương ứng) và chỉ có 1 tương đồng có ý nghĩa với LplA của E.coli nên được đặt tên là PfLipL1 và Pf LipL2.

2 enzyme này có thể bổ sung chức năng cho LplA ở chủng có gene bị gián đoạn.

CHUYỂN HÓA LIPOATE Ở ĐỘNG VẬT NGUYÊN SINH

Nhiều nhóm gây bệnh nhiệt đới

- Trypanosoma brucei, tác nhân gây bệnh ngủ châu Phi

- Trypanosoma cruzi, các ký sinh trùng gây bệnh Chagas

- Leishmania major, các đại diện yếu tố gây bệnh leishmaniasis về da

Tương tự thành phần gen, thứ tự gen, và các quá trình sinh học

CHUYỂN HÓA LIPOATE Ở ĐỘNG VẬT NGUYÊN SINH

Vai trò của α-ketoacid dehydrogenases giảm đáng kể ở BSF, giai đoạn này có DLDH liên kết riêng với tấm bên trong của màng plasma, có thể đóng vai trò như lượng lớn glucose hỗ trợ tăng trưởng trong gd này

Biểu hiện của các phức hợp lipoylated trong T brucei khác nhau giữa hai giai đoạn của chu kỳ sống

Bloodstream (BSF-bloodstream form),

Procyclic (PCF-procylic form)

Địa điểm chính của sự trao đổi chất lipoate: ty thể Các chức năng trao đổi chất của ty thể bị giảm ở BSF

Glucose

Proline và threonine

Mã hóa orthologs của PDH, KDH, BCDH, và protein GCV

 Giống ở T brucei và T cruzi

Chức năng

CHUYỂN HÓA LIPOATE Ở ĐỘNG VẬT NGUYÊN SINH

T vaginalis là loài duy nhất mã hóa enzym lipoate ligase tham gia vào quá trình chuyển hóa lipoate

Sống kỵ khí, T vaginalis không chứa một PDH hoặc KDH

dựa trên pyruvate: ferredoxin oxidoreductase để sản xuất acetyl-CoA

Kết luận

gây bệnh Những sinh vật này có được lipoate thông qua hoặc tổng hợp de novo hoặc thu nhặt

từ môi trường.

các vi khuẩn gây bệnh.

Kết luận

+ Nhiều vi khuẩn mầm bệnh có nhiều tiểu đơn vị E3 dihydrolipoamide dehydrogenase.

+ Các gen mã hóa cho enzyme lipoyl hóa LplA, LipB, và LipA thường được tìm thấy bên cạnh các gen chuyển hóa lipoate khác + Nhiều vi khuẩn mầm bệnh chứa một GCV không đầy đủ, nhưng những sinh vật này luôn luôn giữ một protein H.

+ Gen được nhân đôi, chẳng hạn như các gen paralog KDH E1 bảo tồn trong ký sinh trùng kinetoplastid, có thể có chức năng và có thể phục vụ để điều chỉnh hoạt động của các phức hợp protein được chia sẻ.

+Protein Lipoylated có thể là tới hạn cho sự phát triển và tồn tại của vi khuẩn mầm bệnh in vivo, nhưng có thể bỏ qua cho sự phát triển in vitro.