Năng lượng và sự trao đổi chất

NĂNG LƯỢNG VÀ SỰ TRAO ĐỔI CHẤT I. NĂNG LƯỢNG II. SỰ TRAO ĐỔI CHẤT III. ENZYME HỌC IV. CÁC PHẢN ỨNG SINH HÓA TRONG CƠ THỂ SỐNG Chương IV:Trường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV Nhóm 21.Đỗ Duy Khánh (tìm tài liệu+hỗ trợ làm bài powerpoint)2. Nguyễn Thị Lên (tìm tài liệu)3. Nguyễn Duy Linh (tìm tài liệu+thuyết trình)4. Mai Anh Linh (tìm tài liệu)5. Huỳnh Thị Trúc Ly (tìm tài liệu)6. Thông Xuân Nguyên (tìm tài liệu)7. Võ Thị Phước (tìm tài liệu+thuyết trình)8. Mai Hoàng Phương (làm powerpoint+tìm tài liệu)9. Nguyễn Bá Quỳnh (tìm tài liệu)10. Quách Thị Thu Thủy (tìm tài liệu)11. Lê Thị Thanh Tú (tìm tài liệu)12. Nguyễn Thị Thanh Xuân (tìm tài liệu)13. Nguyễn Đức Duy (tìm tài liệu)14. Phan Trang Hoàng Vỹ (tìm tài liệu)15. Nguyễn Thanh Minh (tìm tài liệu)Trường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV I. NĂNG LƯỢNG1. Các quy luật biến đổi năng lượng và trật tự sinh họca) Các quy luật biến đổi năng lượng Trường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV b) Trật tự sinh học Các cấu trúc và phản ứng hóa học trong cơ thể được duy trì theo một trật tự nhất định được gọi là trật tự sinh học( biological order).Có hai loại phản ứng phân hủy và tổng hợp, cả hai loại phản ứng này đều tỏa nhiệt ra môi trường bên ngoài.Tế bào ở trạng thái cân bằng động có luồng vật chất vào và ra, chúng là một hệ thống hở. Nhưng năng lượng từ ngoài phải được cung cấp thường xuyên cho tế bào nên chúng là hệ thống hở không cân bằng hay lệch. Trường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV 2. Năng lượng tự do a) Thế nào là năng lượng tự do ?Năng lượng tự do( free energy) là năng lượng vốn có của một hệ thống.Nó là năng lượng tối đa tiềm ẩn trong hệ thống. Các chất hóa học đều có chứa năng lượng tự do. Năng lượng tự do cũng được tích lũy trong các liên kết cộng hóa trị.Sự biến đổi năng lượng tự do được ký hiệu bằng ∆G.Trường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV b) Phản ứng tỏa nhiệt và thu nhiệt Năng lượng tự do của các liên kết cộng hóa trị của các chất phản ứng được giải phóng ra ở dạng nhiệt nên phản ứng được gọi là phản ứng tỏa nhiệt ∆G 0 (endergonic). Trạng thái ban đầu Trạng thái cuối cùng A + B C + D ∆Gi ∆Gf ( ∆G = ∆Gf - ∆Gi )Trường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV 3. Sự oxi hóa khử và sự oxi hóa trong tế bào a) Phản ứng oxi hóa khử:Sự khử có nghĩa là thêm vào một hay nhiều điện tử (e-) hoặc nhận proton H+.Sự oxy hóa có nghĩa là chuyển đi một hay nhiều điện tử (e-) hoặc cho proton H+.Vì cả hai phản ứng phải xảy ra đồng thời nên gọi chung là oxy hóa-khử ( redox reactions). Bảng 4.1. Các phản ứng oxy hóa-khử Oxy hóa Khử_ Thêm Oygen _ Chuyển Oxygen _ Chuyển Hydrogen _ Thêm Hydrogen _ Chuyển điện tử _ Thêm điện tử _ Giải phóng năng lượng _ Trữ năng lượng Trường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV b. Sự oxy hóa trong tế bào: Trường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV 4. Năng lượng hoạt hoáCác phản ứng thu nhiệt cũng như toả nhiệt đều cần năng lượng bổ sung để phản ứng thực hiện được. Năng lượng đó được gọi là năng lượng hoạt hoá (activation energy).Mức thay đổi năng lượng tự do ∆G không đổi nhưng phản ứng chỉ thực hiện được khi có năng lượng hoạt hoá Ea.Nếu không có sự cản của nang lượng hoạt hoá nhiều chất giàu năng lưông như glucide, lipid cần cho tế bào sẽ không bền vững và dễ dàng xảy ra phản ứng. Trường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV 5. Năng lượng mặt trờiThực vật xanh và các vi khuẩn quang hợp có khả năng thu nhận năng lượng ánh sáng mặt trời qua quá trình quang hợp (photosynthesis) chuyển năng lượng từ năng lượng ánh sáng mặt trời thành năng lượng của các liên kết hoá học. phản ứng tổng quát:Quang năng + CO2 + H2O carbonhydrate + O2Thực vật sử dụng các chất nghèo năng lượng tự do để tạo nên các carbonhydrate (glucose) giàu năng lượng có thể được sử dụng ngay hay hay được tích trữ ở dạng tinh bột. Các sinh vật quang hợp còn được gọi làsinh vật tự dưỡng (autotroph): tự dinh dưỡng bằng năng lượng mặt trời và các chất vô cơ, muối khoáng đơn giàn. Các sinh vật không quang hợp (động vật, nhiều vsv...) sử dụng năng lượng các hợp chất hữu cơ do thực vật tạo ra, gọi là sinh vật dị dưỡng. Trường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV Năng lượng mặt trời Thực vật nhiều sinh vật khác....:dây chuyền năng lượng →năng lượng mặt trời là nguồn năng lương cho sự sống trên hành tinh của chúng ta. Nhờ các sinh vật quang hợp có khả năng tích trữ năng lượng mặt trời nên nguồn năng lượng đến gián đoạn theo chu kỳ nhưng sự sống vẫn diễn ra liên tục.Nguồn năng lượng mặt trời là vô tận (3.1024J/năm), nguồn năng lượng dự trữ của trái đất chỉ khoảng 2,5.1022J. Mặc dù hiệu suất quá trình quang hợp rất thấp (thường nhỏ hơn 1% ít khi tới 2%) nhưng lượng sinh khối gia tăng mỗi năm khoảng 2.1014 tấn (chủ yếu là gỗ rừng).6. Sự tiến hoá và chuyển hoá năng lượngTrường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV Các sinh vật đầu tiênCác sinh vật hoá dưỡng(chemotrophic)Các sinh vật có khả năng tích trữ năng lượng lâu dàiNhững sự kiện sinh hoá quan trọng:3 tỷ năm, Một số sinh vật có được khả năng thô sơ hấp thụ năng lương mặt trời trực tiếp để tổng hợp glucose và các chất hữu cơ quan trọng khác→quang hợp.2,5 tỷ năm, xuất hiện quá trình hô hấp. Năng lượng rút ra nhiều hơn với sự tham gia của O2. O2 tăng dần và hiện diện với số lượng đáng kể nhờ các sinh vật quang hợp.1,5 tỷ năm, sinh vật nhân thực (Eukaryotae) xuất hiện.II. SỰ TRAO ĐỔI CHẤT 1. Đặc điểm chuyển hóa năng lượng của tế bào Gồm hai quá trình xảy ra song song: Sự đồng hóa (anabolism): Quá trình tổng hợp nên các phân tử hữu cơ phức tạpSự dị hóa (catabolism) : Quá trình phân hủy các thức ăn giải phóng năng lượng cho tế bàoTrường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV Dạng năng lượng chủ yếu được chuyển hóa là năng lượng hóa học của các hợp chất hữu cơ. Tế bào thực vật đã thu nhận năng lượng ánh sáng mặt trời, biến nó thành năng lượng hóa học để rồi luân chuyển trong thế giới sinh vật.Quá trình oxy hóa giải phóng năng lượng qua nhiều phản ứng trung gian nên các cơ chất thường không tiếp xúc trực tiếp với oxy.2. Adenosine triphosphate (ATP) ATP là một nucleotide tạo thành từ Adenine, đường ribose và 3 phosphate PO4 ATP đóng vai trò chủ chốt trong hầu như tất cả các quá trình chuyển hóa năng lượng của mỗi hoạt động sống Trường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV Một tính chất quan trọng của phân tử ATP là biến đổi thuận nghịch để giải phóng hoặc tích trữ năng lượng. Khi ATP thủy giải nó sẽ tạo ra ADP và Pi-phosphate vô cơ: enzyme ATP + H2O ADP + Pi + năng lượng (Enzyme thủy giải ATP gọi là ATP-ase)Nếu ADP tiếp tục thủy giải sẽ thành AMP. Ngược lại ATP sẽ được tổng hợp nên từ ADP và Pi nếu có đủ năng lượng cho phản ứng enzyme ADP + Pi + năng lượng ATP + H2O (Enzyme tổng hợp nên ATP gọi là ATP synthetase)Trường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV Trường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV ADP3. Các chất chuyên chở Hydrogen Tham gia vào quá trình chuyển hóa năng lượng còn có các chất chuyên chở Hydrogen như: NAD+, NADH2, FAD, NADP và NADPH2.NAD là Nucleotide. Phần trên là vòng Nicotine amide giữ vai trò quan trọng trong vận chuyển Hydrogen. Nửa dưới phân tử là Adenosine monophosphate (AMP).NAD+ là dạng oxi hóa, có sự biến đổi thuận nghịch sang NADH+ ,H+ (gọi là NAD-khử).ADP có cấu trúc tương tự như NAD nhưng có thêm một nhóm phosphate.NAD+ và NADP+ hai chất chuyển Hydrogen quan trọng nhất trong phản ứng dị hóa.Tham gia chuyển Hydrogen có FAD, cũng là Nucleotide. Nó dễ dàng biến sang dạng FADH2. Trường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV Trường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV NAD+Trường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV NADP+Trường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV FADTrường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV FADH24. Các chất chuyền điện tử Từ năm 1925, các cytochrome được phát hiện đó là các chất có màu do chứa nhân heme ở hemoglobin.Hiện nay, có hơn 40 protein được phát hiện ở hệ thống chuyền điện tử. Các cytochrome chia thành 3 loại a, b, c.Chất vận chuyển điện tử có cấu tạo đơn giản là ubiquinone hay coenzyme Q, nó có thể nhận một hoặc hai điện tử.Mặt khác các phản ứng hóa học giữa sự chuyển năng lượng từ các chất phản ứng sang các sản phẩm. Trong quá trình hô hấp biến đổi glucose:C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + QTrường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV Trường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV Trường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV III. ENZYME HỌC 1. Đại cương về enzyme a) Các chất xúc tác Chất xúc tác là chất:+Giảm năng lượng hoạt hóa.+Tăng vận tốc phản ứng.+Không tham gia phản ứng.+Không đổi chiều phản ứng. Vd: Platin xúc tác phản ứng H2 và O2:2H2 + O2 + 6Pt → 4HPt + 2OPt → 2H2O + 6Pt. Trường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV b) Enzyme là gì? Trường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV 2. Cấu tạo enzymeCấu tạo enzyme:Protein: có hình dạng là khối cầu, có kích thước thường lớn hơn cơ chất do chúng tác động.Nhóm coenzyme: được cấu tạo từ có thêm nhóm bổ sung là các ion kim loại hay các hợp chất hữu cơ phức tạpNhóm prosthetic: được tạo thành từ sự gắn chặt của coenzyme với protein enzyme Trường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV Tính chất của enzymeenzyme có bản chất là protein nên có tất cả thuộc tính lý hóa của protein. Đa số enzyme có dạng hình cầu và không đi qua màng bán thấm do có kích thước lớn.tan trong nước và các dung môi hữu cơ phân cực khác, không tan trong ete và các dung môi không phân cực.không bền dưới tác dụng của nhiệt độ, nhiệt độ cao thì enzym bị biến tính. Môt trường acid hay baze cũng làm enzyme mất khả năng hoạt động.enzyme có tính lưỡng tính: tùy pH của môi trường mà tồn tại ở các dạng: cation, anion hay trung hòa điện.enzyme chia làm hai nhóm: enzyme một cấu tử (chỉ chứa protein) như pepsin, amylase... và các enzyme hai cấu tử (trong phân tử còn có nhóm không phải protein)Trường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV 3. Tính đặc hiệu (specificity) Khác với các chất xúc tác vô cơ, các enzyme có tính chọn lọc rất cao. Đa số enzyme là các protein hồng cầu (globular) có cấu trúc không gian ba chiều phức tạp. Như vậy tính đặc hiệu của các enzyme có thể xem như phụ thuộc cấu trúc không gian phân tử ba chiều của chúng.Trường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV a) Đặc hiệu phản ứng Trường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV Tính đặc hiệu của enzyme chỉ biểu hiện đối với cơ chất mang một loại liên kết hóa học nhất định.Vd: Enzyme lipase do tuyến tụy tiết ra chỉ cắt liên kết ester giữa glycerol và acid béo.Nó chỉ tác động với 1 số protein và những điểm đặc hiệu, nó nhận biết được.Vd: Enzyme Thrombin nhận biết liên kết giữa các aminoacid viginine và glycine. Trường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV a. Đặc hiệu phản ứng b) Đặc hiệu cơ chất Tính đặc hiệu còn biểu hiện chuyên biệt những cơ chất nhất định.Các enzyme có thể phân biệt được những cơ chất rất giống nhau.Vd: Các đồng phân chẳng hạn.Trường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV 4. Trung tâm hoạt động (Active site) Trường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV Chỉ có một vùng giới hạn của phân tử enzyme thực sự gắn với cơ chất đó là trung tâm hoạt động (active site). Thường trung tâm hoạt được tạo nên do một số amino acid của enzyme, còn số khác của phân tử protein đảm bảo khung để tăng cường cấu trúc không gian của trung tâm.Theo nguyên tắc này, chúng sẽ gắn bổ xung cho nhau và kết lại. Ít nhất là phần có hoạt tính của phân tử cơ chất và phần enzyme được gọi là trung tâm hoạt động phải lắp vào nhau trong không gian để tạm thời có liên kết tạo thuận lợi cho phản ứng thực hiện giống như platin tạo cho Hydrogen và Oxygen dễ phản ứng. Bằng cách đó một phức hợp enzyme - cơ chất được hình thành E + S -------> ES --------> E+P Các enzyme có trung tâm hoạt động mà các cơ chất có thể laapskins vào để hình thành các phức hợp enzyme - cơ chất( ES).a) Tốc độ phản ứngNồng độ enzyme ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ phản ứng , khi nồng độ enzim tăng tốc độ phản ứng tăng đến cực đại . Việc tổng hợp mỗi enzim chịu sự kiểm soát của một gen đặc hiệu. Gen có thể được mở ra do tín hiệu hormone hay một số chất khác của tế bào để tổng hợp enzyme .Thông qua các gen của tế bào diều hòa sự tổng hợp các enzim và qua đó điều hòa các phản ứng trao đổi chất của tế bào.5. Các nhân tố ảnh hưởng đến hoạt tính của enzymeTrường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV Ở nồng độ cơ chất thấp có sự tương quan tỉ lệ thuận giữa nồng độ và tốc độ phản ứng.Ở nồng độ cao các enzyme đã bảo hòa cơ chất nên không tăng được tốc độ phản ứng, tốc độ phản ứng lúc này phụ thuộc vào nồng độ enzymeTrường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV b) Nồng độ cơ chấtc) Chất kìm hãm Trường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV d) Nhiệt độ Nhiều enzyme có tốc độ phản ứng nhanh nhất ở một nhiệt độ tối ưu ( giữa 400-500C). Nhưng nhiệt độ cao quá sẽ làm biến tính protein dẫn đến mất hoạt tính enzyme. Tuy nhiên có những enzyme chịu được nhiệt độ cao như amylase dùng trong công nghiệp dệt(có thể chịu trên 100oC)Tuy thế có một số loại chuyển hóa tốt hơn ở trên hoặc dưới khoảng nhiệt độ đó.Vd: Một số loài vi khuẩn sống được ở các nguồn nước nóng trên 85oC và có enzyme đặc biệt bền vững. Trường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV e) pH Mỗi enzyme đều có hoạt tính tối ưu trong một giới hạn pH thích hợp.Vd: Pepsin và trypsin đều là các enzyme thủy giải protein. Tuy nhiên pepsin có hoạt tính cao trong điều kiện acid mạnh (pH=2), còn trypsin dưới các điều kiện trung hòa hoặc hơi kiềm (pH=8,5) Trường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV Tóm lại, enzyme là các chất xúc tác sinh học có bản chất protein; chúng xúc tác các phản ứng với tính đặc hiệu và hiệu quả cao. Chúng là động lực của các phản ứng sinh học, là công cụ phân tử hiện thực hóa thong tin hóa thông tin di truyền chứa trên DNA. IV. CÁC PHẢN ỨNG SINH HÓA TRONG CƠ THỂ SỐNG 1. Sơ đồ trao đổi chất Sự trao đổi chất của tế bào là một sơ đồ phức tạp với nhiều chuỗi phản ứng đan chéo nhau. Sự trao đổi chất trong tế bào là rất cần thiết vì vậy để tế bào có thể hoạt động tốt hệ thống trao đổi chất cần được tổ chức hợp lý trong không gian và thời gian. Trường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV 2. Trao đổi chất được điều hòa bởi sự thay đổi hoạt tính enzyme.Trường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV 4. Tổ chức không gian hợp lý cho các quá trình phản ứng Enzyme khác nhau, chức năng riêng biệt.Phân bố không gian đơn giản nhất, phức hợp enzyme xúc tác các phản ứng dây chuyền. Enzyme đầu không phải đi vào tế bào chất để gặp enzyme thứ hai. Trường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV Phức hợp lớn các enzyme pyruvate dehydrogenaseTrường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV Tài liệu tham khảo:-Sinh học đại cương ,NXB Đại Học Quốc Gia Tp.HCM 2000, Phạm Thành Hổ.-ài giảng của TS. Nguyễn Hoài Hương.-ường ĐH Mở Tp.Hồ Chí Minh Nhóm 2 Chương IV THE END