การควบคมวถเมแทบอลซม(Regulation of metabolism)

ปยะนช เนยมทรพย

ชว300 เมแทบอลซมและการควบคมของสงมชวต

การควบคมวถเมแทบอลซมกระบวนการเมแทบอลซมสามารถควบคมไดโดย

1. การควบคมการท างานของเอนไซม - การควบคมแบบอลโลสเตอรก - การเปลยนแปลงโครงสรางทางเคมของเอนไซม2. การควบคมความเขมขนของเอนไซมโดยวธควบคมการ สงเคราะหและการสลายเอนไซม3. การควบคมโดยการแบงเขตของวถแตละวถในเซลลแยก ออกจากกน (Compartmentation)

1. การควบคมการท างานของเอนไซม 1.1 การควบคมแบบอลโลสเตอรก (Allosteric control)

Allosteric enzyme เปนเอนไซมทมบรเวณเรง (active site) ส าหรบให substrate จบอยแยกตางหากจากบรเวณควบคม ซงเปนบรเวณใหพวก ligand เขาจบ ทเรยกวาตวควบคมอลโลสเตอรก การเขาจบท าใหโครงรปของเอนไซมเปลยนไปในแบบทท าใหเอนไซมมความชอบตอ substrate อนเปลยนแปลงไป

จลนศาสตรของเอนไซมทถกควบคมแบบอลโลสเตอรก จะไมเปนไปตามสมการไมเคลส-เมนเทน เมอท าการเขยนกราฟระหวางความเรวของปฏกรยา (v) กบความเขมขนของสารตงตน ([S]) จะไดดงกราฟรปท 11.5 โดยจะเหนวากราฟทไดเปนกราฟคลายรปตวเอส (sigmoid curve) ไมไดเปนกราฟรปไฮเปอรโบลา (hyperbola)

การควบคมการท างานของเอนไซมอลโลสเตอรก มกจะเปนไปในรปแบบทเอนไซมทเรงปฏกรยาตน ๆ ของวถ (pathway) จะถกยบยงดวยผลตภณฑ (product) ตวทาย ๆ ซงเรยกวา การยบยงแบบยอนกลบ (feedback inhibition)

ลกษณะของการยบยงเอนไซมตวแรกนนมหลายลกษณะแลวแตวถทาง คอ

4.1 Basic feedback inhibition เปนการสงเคราะหผลตภณฑอนเกดจากวถทางเดยวและมผลตภณฑสดทายเกดขน โดยผลตภณฑสดทายจะไปยบยงการท างานของเอนไซมตวแรก

4.2 Sequential feedback inhibition การสงเคราะหจะมผลตภณฑสดทายเกดขน 2 ชนด คอ P1 และ P2 ซงตางกไปยบยงการท างานของเอนไซมตวแรกในกระบวนการทเปนแขนง (branch pathway) จงท าใหเกดการสะสมสาร C แลวสาร C นจะไปยบยงการท างานของเอนไซมตวแรกของกระบวนการทงหมด

4.3 Enzyme multiplicity การสงเคราะหแบบนจะมเอนไซม 2 แบบ (isoenzymes) ทสามารถเปลยนสาร A ไปเปนสาร B เหมอนกน แตถกยบยงตางกน คอ ถกยบยงอยางเฉพาะเจาะจงโดยผลตภณฑสดทาย P1 และ P2 ตามล าดบ

4.4 Concerted feedback inhibitionการสงเคราะหแบบนจะเกดผลตภณฑสดทาย 2 ชนด คอ P1 และ P2

และผลตภณฑสดทายทง 2 ชนดนจะตองรวมกนไปยบยงเอนไซมตวแรกในกระบวนการ นอกจากน P1 ยงไปยบยงการท างานของเอนไซมทจะเปลยนสาร C เปนสาร D และ P2 จะไปยบยงการท างานของเอนไซมจากสาร C ไปเปนสาร F ซงเปนเอนไซมตวแรกของแขนง

4.5 Cumulative feedback inhibitionการสงเคราะหผลตภณฑแบบนจะคลายกบ concerted feedback

inhibition คอ จะมผลตภณฑสดทายสองชนดคอ P1 และ P2 แตตางกนทวาผลตภณฑสดทายทงสองชนดจะมความสามารถในการยบยงสารตงตนอยางอสระ

Aspartate family of amino acids showing the branched pathways leading to lysine, methionine, threonine and isoleucine. Lysine plus threonine exert concerted feedback inhibition (dashed lines) on aspartyl kinase (AK) and threonine feedback inhibits homoserine dehydrogenase (HSD). Methionine represses the synthesis of HSD (dots & dashes).

1.2 การควบคมการท างานของเอนไซมโดยการเกดการเปลยนแปลงทางเคม (Covalent modification) การควบคมแบบนเปนการควบคมการท างานของเอนไซมดวยการน าเอาหมใด ๆ มาเตมเขาทโมเลกลของเอนไซม เชน การเตมหมฟอสเฟต (phosphorylation) เปนวธการควบคมท าโดยการเตมหมฟอสเฟต เขาทเอนไซม ตามสมการ

ตวอยางการควบคมดวยวธนทรจกกนด คอการควบคมเอนไซมทเรงการสงเคราะหและสลายไกลโคเจน (glycogen) การเตมและการขจดหมฟอสเฟต จะท าใหเอนไซมท างานได หรอท างานไมได กแลวแตชนดของเอนไซม

2. การควบคมความเขมขนของเอนไซมโดยวธควบคม การสงเคราะหและการสลายเอนไซม เปนการควบคมระดบยนคอ การควบคมการถอดรหส (transcription) และการควบคมการแปลรหส (translation)

Operon theory• Operon = กลมของ gene ทท างานรวมกนในการควบคมการแสดงออก

ของ gene โดยควบคมทระดบการสราง mRNAI = Requlatory gene สราง repressor proteinP = Promotor gene ต าแหนงท RNA polymerase มาเกาะเพอเรม

ขบวนการ TranscriptionO = Operator gene ต าแหนงเปดปด operon โดยจบกบ repressor

proteinS = Structural gene เปนสวนของ RNA ทมรหสส าหรบสราง

mRNA ซง mRNA จะถกน าไปสงเคราะหเปนโปรตนทตองการ

I P O S

Repressor protein• เปนโปรตนทมหนาทจบกบ ต าแหนงโอเปอเรเตอร

• ถาสามารถจบกบโอเปอเรเตอรได จะขวางไมใหเอนไซม RNA polymerase เขาไปสยนโครงสรางได ถอวาโอเปอรอนปด ไมม การสราง mRNA จากยนโครงสรางได • แตถาจบกบโอเปอเรเตอรไมได RNA polymerase ไปทยน โครงสรางได และเกดกระบวนการถอดรหสได mRNA ถอวาโอ เปอรอนเปด

I P O S

2.1 การควบคมแบบเหนยวน า (Inducible operons)

เอนไซมทใชในการผลตผลตภณฑ จ าเปนตองมซบสเตรตเฉพาะของเอนไซมชนดนน หรอสารประกอบอนทคลายกบซบสเตรตปนอยในอาหารดวย ซงจะไปเหนยวน าใหเกดการผลตเอนไซมเฉพาะเพมขน สารทมหนาทในการเหนยวน านเรยกวาสารเหนยวน า (inducer)

Jacob & Monod: lac Operonfirst to describe operon system

Francois JacobJacques Monod

Lac operon• Regulator gene สราง active repressor protein ไปจบท Operator site ท าให Operon ปด

• Inducer ไปจบ active repressor protein กลายเปน inactive repressor protein ไปจบท Operator site ไมได ท าให Operon เปด

inducer

lac operon

ไมมแลคโตส No transcription

มแลคโตส เกด transcription มการสรางเอนไซมในการยอย

Inducer : 1. Analogues

Enzymes Substrates Analogues

-Galactosidase Lactose Isopropyl--D-

thiogalactoside

Penicillin- -

lactamase

Benzylpenicillin Methicillin

Maleate isomerase Maleic acid Malonic acid

Aliphatic amidase Acetamide N-methyl-acetamide

Tyrosinase L-Tyrosine D-Tyrosine, D-

phenylalanine

Cellulase Cellulose Sepharose

Inducer : 2. Intermediates

Enzymes Microorganisms Substrates Intermediates

Glucoamylase A. niger Starch Maltose, Isomerase

Amylase B. stearothermophilus Starch Maltodextrin

Dextranase Penicillium sp. Dextran Isomaltose

Pullulanase Klebsiella aerogenes Pullulan Isomaltose

Maltose

การทดลอง

เลยง bacteria E. coli ในอาหารเลยงเชอชนดตางกน

1 2 3

+ Glucose + Lactose Glucose + Lactose

1 2 3

B-galactosidase

เลยง E. coli ในอาหารทม glucose และ lactose พบวา ไมมการสรางเอนไซมจาก lac Operon

ผลการทดลอง

เพราะอะไร ?เพราะอาหารม glucose เปน carbon source อยแลว

โดยมสารประกอบทเกยวของคอ cAMP : cyclic Adenosine MonoPhosphateCRP : cAMP Receptor Protein(หรอเรยก CAP = Catabolite Activated Protein)

Catabolite repression

ปรมาณ cyclic AMP ในเซลลจะแปรผกผนกบปรมาณ glucose ถา glucose มาก cAMP จะนอย ถา glucose นอย cAMP จะมาก โดย cAMP จะท างานรวมกบ CRP แลวจะชวยให RNA polymerase เขามาจบท Promotor site ไดดงนน เมออาหารม glucose มาก cAMP นอย ท าให RNA polymerase เขาจบท Promotor site ไมได แมวา Operon เปด แตกไมม RNA polymerase ท Promotorsite

อาหารเพาะเชอ ระดบ camp ใน E.coli

+ Glucose

+ Lactose

+ {Glu + Lac}

cAMP

cAMP

cAMP

มแลคโตส ไมมกลโคส เกด transcription มการสรางเอนไซมในการยอย

มแลคโตสและกลโคส ไมเกด transcription

cAMP is Needed for Activation

Catabolite Repression

การกดดนแคแทบอไลต (catabolite repression)จลนทรยมกจะมการผลตเอนไซมทสามารถยอยสารอาหารชนดทดทสดในอาหาร

โดยหลงจากทมการใชน าตาลชนดแรกไปแลว กจะท าใหเกดการสงเคราะหเอนไซมชนดทสองเพอใชในการยอยซบสเตรตตวทสอง ท าใหเกดสารทไดจากการยอย เรยกวา แคแทบอไลต (catabolite) สารแคแทบอไลตทเกดขนบางครงกท าใหเกดปญหาตอการสงเคราะหเอนไซม คอ จะควบคมไมใหเกดการสงเคราะหเอนไซม

diauxic growth

2.2 การควบคมแบบกดดน (Repressible operons)ซบสเตรตนอกจากจะไมเหนยวน าใหมการสงเคราะห

เอนไซมแลว ยงท าหนาทไมใหมการสงเคราะหเอนไซมขน การควบคมการสงเคราะหเอนไซมแบบกดดนน ยนสงเสรม (P) สามารถท าหนาทไดโดยไมตองอาศยตวเรง • Regulator gene สราง inactive repressor protein ไปจบท Operator site ไมได ท าให Operon เปด• Co-repressor + inactive repressor protein ----> active repressor protein ไปจบท Operator site ได ท าให Operon ปด

tryp operon

ไมมทรปโตฟาน เกด transcription มการสรางเอนไซมในการยอย

มทรปโตฟาน ไมเกด transcription

Regulation of transcription

a) Induction

enzymes only expressed when

substrate is present

often: substrate = inducer

b) Repression

enzymes only expressed as

long as product is absent

often: product = corepressor

Gene Expression

1. Induction (การเหนยวน า)

2. Repression (การกดดน)

Inducer = ตวเหนยวน า = เอาออก

Repressor = ตวกดดน

= เตมเขา

Another way to Regulate metabolism

• Gene regulation

– block transcription of

genes for all

enzymes in

tryptophan pathway

• saves energy by

not wasting it on

unnecessary protein

synthesis

= inhibition-

3. การควบคมโดยวธแบงเขตทอยของวถในเซลลแยกออกจากกน (Compartmentation)

ในเซลลยคารโอตพบวาเอนไซมทท าหนาทเรงปฏกรยาของวถใดวถหนงจะมอยในสวนใดสวนหนงของเซลลอยางจ าเพาะ

รวมถงการน าเอนไซมตางๆ ทเรงปฏกรยาทเกดตอเนองกนเปนล าดบใหมาอยใกลชดกนในรปของ multienzyme complex ซงจะชวยให substrate ของเอนไซมนนๆ อยใกลกบบรเวณ active site นนๆ ดวย