Chương 1 Khái niệm về trao đổi chất và năng lượng sinh học

11 BÀI GIẢNG SINH HÓA HỌC Phần II TRAO ĐỔI CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG SINH HỌC TP.HCM - 2006 2 Chương 1 KHÁI NIỆM VỀ TRAO ĐỔI CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG SINH HỌC 1. ĐẠI CƯƠNGVỀ TĐC & NLSH 1.1. Sự trao đổi chất và chuyển hóa trung gian 1.2. Đồng hóa và dị hóa 1.3. Nguồn gốc của năng lượng sinh học 1.4. Sự chuyển hóa năng lượng 1.5. Các hợp chất cao năng 2. SỰ OXID HÓA-KHỬ SINH HỌC (Sự hô hấp mô bào) 2.1. Khái niệm về hô hấp mô bào 2.2. Chuỗi hô hấp mô bào : Mục đích; Đặc điểm; Các enzyme của chuỗi hô hấp; Sơ đồ chuỗi hô hấp 3 1.ĐẠI CƯƠNG 1.1. SỰ TRAO ĐỔI CHẤT VÀ CHUYỂN HÓA TRUNG GIAN
TĐC (chuyển hóa các chất) bao gồm tất cả các qúa trình hóa học xẩy ra trong cơ thể từ khi TĂ được đưa vào→ đào thải chất cặn bã ra môi trường. TĐC là một đặc điểm quan trọng của vật sống (sinh vật), là điều kiện tồn tại và phát triển của sinh vật. Các tính chất cơ bản của vật thể sống : - Luôn gắn với một hệ thống vật chất – protein. - Tiêu tốn năng lượng – ATP. - Có nguồn thông tin (có khả năng di truyền và sinh sản) 4
CHUYỂN HÓA TRUNG GIAN bao gồm - các phản ứng - các quá trình hóa học xảy ra trong tế bào. Đây là khâu quan trọng và phức tạp nhất của sự chuyển hóa các chất. Gọi là chuyển hóa trung gian vì các qúa trình hóa học - xẩy ra qua nhiều giai đoạn trung gian, - thành lập nhiều chất trung gian. Các chất này gọi là chất chuyển hóa hay sản phẩm chuyển hóa. 25 1.2. ĐỒNG HÓA VÀ DỊ HÓA Đây là hai mặt mâu thuẫn nhưng thống nhất của sự chuyển hóa các chất.
Đồng hóa : tiêu hóa – hấp thu – tổng hợp chất.
Dị hóa : phân hủy các đại ph/tử của tế bào và mô để đổi mới; đào thải chất cặn bã; oxid hóa các chất hữu cơ để giải phóng năng lượng cung cấp cho qúa trình TĐC, cho các hoạt động sống. 6 (Đồng hĩa) (Dị hĩa) (giải phĩng NL) (thu NL) 7 8Hình 1.1 : Chu trình chuyển hóa trong thế giới sinh vật 39 1.3. NGUỒN GỐC CỦA NĂNG LƯỢNG SINH HỌC
Từ năng lượng ánh sáng mặt trời (quang năng)
Các dạng năng lượng : - hóa năng, - cơ năng, - nhiệt năng, - điện năng, - năng lượng thẩm thấu …. có thể chuyển hóa lẫn nhau 10
Nhiệt năng là dạng năng lượng ngõ cụt (không sử dụng lại) → cần tiêu tốn NL để giữ trạng thái đẳng nhiệt và đẳng áp.
Cơ thể sử dụng NL để duy trì sự sống : - duy trì cấu trúc, - duy trì trật tự - hoạt động. Ngưng c/cấp NL → qúa trình phân hủy sẽ xẩy ra. 11 1.4. SỰ CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG
Năng lượng tự do (NLTD) : là số NL có thể chuyển thành công hữu ích khi hợp chất biến đổi : G = H – Tx S G : NLtự do của hợp chất H : Enthapy (toàn bộ NL dự trữ) T : Nhiệt độ tuyệt đối của môi trường S : Entropy (hàm trạng thái) → mức độ hoạt động của hệ thống→ Số năng lượng bị ràng buộc không sử dụng được. 12
Sự biến đổi năng lượng tự do : ∆G = ∆H – T. ∆S - ∆G : Sự thay đổi NLTD của hệ thống - ∆H : Sự biến đổi enthapy→ bằng hiệu ứng nhiệt của phản ứng - T : nhiệt độ tuyệt đối của môi trường - ∆S : Sự biến đổi của entropy Cơ thể sống hoạt động như một hệ thống mở, các biến đổi hóa học bảo đảm cân bằng NL cho cơ thể→ ∆S ≈ 0 → ∆G ≈ ∆H → sự biến đổi NLTD gần bằng với hiệu ứng nhiệt của phản ứng→ nhiệt lượng PƯ→ giá trị NL của biến đổi hóa học. 413Hình 1.2 : Sự kết hợp giữa PƯGPNL và PƯ thu NL 14 Hình 1.3 : Sự thành lập các hợp chất cao năng 15 16 517 1.5. CÁC HỢP CHẤT CAO NĂNG - ATP/ADP - Creatine phosphate/Creatine - Arginine phosphate/Arginine - Các nucleotide triphosphate : GTP, UTP Đơn vị đo năng lượng - 1j = 2,388 x 10-4 Kcal - 1 Kcal = 4,1866 x 108j 18 Nối phosphate cao năng 19 20 621Hình 1.5 : Chu trình ATP/ADP và CP/C 22 23 -14.00 -12.30 -11.80 -10.30 -10.10 -8.00 -7.30 -5.00 -3.80 -3.30 -2.20 -61.90 -51.40 -49.30 -43.10 -42.30 -33.50 -30.50 -20.90 -15.90 -13.80 -09.20 -Phosphoenolpyruvate -Carbamine phosphate -1,3 diphosphoglycerate -Creatine phosphate -Acetyl phosphate -Arginine phosphate -ATP →ADP + P -Glucose-1-phosphate -Fructose-6-phosphate -Glucose-6-phosphate -Glycero-3-phosphate Kcalo/molKjuole/molhữu cơ ∆G’oHợp chất phosphate Bảng NLTD chuẩn của một số phosphate hữu cơ 24 2. SỰ OXID HÓA-KHỬ SINH HỌC 2.1. KHÁI NIỆM VỀ HÔ HẤP MÔ BÀO -Một chuỗi các phản ứng oxid hóa-khử liên tục, - Giải phóng năng lượng trong điện tử cao năng của H trong hợp chất hữu cơ , - Cơ thể động vật sử dụng năng lượng của các phân tử chất hữu cơ để tổng hợp nên các hợp chất cao năng lượng như ATP, CP… - Bản chất của quá trình này là sự oxid hóa từng bước carbon hữu cơ thành CO2 và vận chuyển H (proton H+ và điện tử e- ) đến O2 để thành lập phân tử H2O. 725 Hình 1.6 : Ty lạp thể TY LAP THỂ 26 2.2. CHUỖI HÔ HẤP MÔ BÀO
MỤC ĐÍCH - Giải phóng số năng lượng dự trữ trong các điện tử cao năng của các hợp chất hữu cơ; - Thành lập các nối phosphate cao năng (~ P) tích trữ trong các hợp chất cao năng (ATP, CP …) để cung cấp cho các hoạt động sống.
ĐẶC ĐIỂM Điện tử chỉ lấy từ H và lấy kèm với proton H+→ một chất hữu cơ bị oxid hóa tức là bị mất H 27
CÁC ENZYME CỦA CHUỖI HÔ HẤP  Các dehydrogenase chứa nhân pyridine (dx vit.PP) Coenzymes : NAD+ và NADP+  Các dehydrogenase chứa nhân flavine (dx vit.B2) Coenzymes : FMN và FAD  Coenzyme Q (ubiquinone) : CoQ – CoQ- - CoQH2  Hệ thống cytochromes : b – c1 – c – a&a3 28 Dehydrogenase NAD+ NADH + H+
CÁC ENZYME CỦA CHUỖI HÔ HẤP - CO- NH2 N+ H R +(2H+ + 2e-) - CO- NH2 N H R + H+ H - (2H+ + 2e- ) 829 N C NH 2 O H H OHOH O O P O CH 2 O _ + H N NH 2 N N O P O CH 2 N H H OHOH O H H O OH H N C NH 2 O H H OHOH O O P OCH 2 O _ + H N NH 2 N N O P OCH 2 N H H OOH O H H O OH H P OHHO ONAD+ NADP+ 30 NH N N CH3- O C 10 1CH3- C=O R NH H N N H CH3- O C 10 1CH3- C=O R FMN (FAD) FMNH2 (FAD.H2) +2H -2H 31 CH3 C C C C C C H CH3 H N N C C C N NH C O O CH2 HCOH HCOH HCOH CH2 O PO O _ O CH3 C C C C C C H CH3 H N N C C C N NH C O O CH2 HCOH HCOH HCOH CH2 O PO O O _ P O CH2 OO _ H O H OH H OH H N HC N C C C N N CH NH2 FMN FAD 1 2 3 410 9 5 6 7 8 1 10 32 Hình 1.7 :Cơ chế vận chuyển electron của CoQ 933Hình 1.8 : Heme của cytochrome 34 Tổ hợp 1 (NADH-CoQ reductase) Vai trò : tách điện tử từ NADH (của các dehydrogenase khác nhau tương ứng với các cơ chất khác nhau) chuyển cho CoQ. Đây là tổ hợp có kích thước lớn nhất (800kD) và gắn một phân tử FMN cùng với 6 chùm Fe-S giúp chuyển e-. 35 Tổ hợp II (Succinate - Co Q reductase) Vai trò : chuyển e- từ succinate sang CoQ. Tổ hợp bao gồm succinate dehydrogenase của chu trình Krebs, có một nhóm FAD gắn qua gốc His với protein enzyme, một chùm [4Fe–4S], hai chùm [2Fe–2S] và một cytochrome b560. Thế hiệu redox chuyển e- từ succinate sang CoQ thấp, không đủ năng lượng tự do để tạo ATP, tuy nhiên tổ hợp II vẫn quan trọng vì nó giúp đưa điện tử cao năng vào chuỗi hô hấp. 36 Tổ hợp III (CoQ – cyt. c reductase) Thành viên của tổ hợp III gồm hai cyt. b, một cyt. c1 và một chùm [2Fe–2S]. Tổ hợp này chuyển điện tử từ CoQ sang cyt.c. Tổ hợp IV (cyt.c oxydase) Vai trò của tổ hợp IV là tách lần lượt 4 điện tử từ 4 cyt. c dạng Fe2+ để chuyển cho oxygen phân tử (O2) tạo ra 2 phân tử nước (nhờ lấy H+ từ phần khuôn ty lạp thể). Tổ hợp V (ATPase) Kênh dẫn proton và thực hiện tổng hợp ATP. 10 3712-14380ATP synthaseComplex V 13170Cytochrome oxidaseComplex IV 9-10250Cytochrome C - coenzyme Q oxidoreductaseComplex III 4140Succinate dehydrogenase (or)Succinate-coenzyme Q reductaseComplex II 25800NADH dehydrogenase (or)NADH-coenzyme Q reductaseComplex I PolypeptideskDaThành phầnTổ hợp Tóm tắt thông tin các tổ hợp enzyme của chuỗi hô hấp 38Hình 1.9 : SƠ ĐỒ CHUỖI HÔ HẤP MÔ BÀO 39 Sơ đồ phân bố các tổ hợp enzyme trong chuỗi hô hấp 40 Các phản ứng oxid hóa-khử trong chuỗi hô hấp 11 41 Các giai đoạn phosphoryl hóa thành lập ATP 42Hình 1.10 : Sơ đồ vận chuyển điện tử TL ATP 43 44Hình 1-12 : Sự hoán chuyển ATP và ADP qua màng ty thể