Chương I: Khái niệm về trao đổi chất và năng lượng sinh học ppsx

BÀI GIẢNG SINH HÓA HỌC Phần II TRAO ĐỔI CHẤT VÀNĂNG LƯỢNG SINH HỌC TP.HCM - 2006 2 Chương 1 KHÁI NIỆM VỀ TRAO ĐỔI CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG SINH HỌC 1.. SỰ TRAO ĐỔI CHẤT VÀ CHUYỂN HÓA TRUNG GIA

BÀI GIẢNG SINH HÓA HỌC

Phần II TRAO ĐỔI CHẤT VÀNĂNG 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 gồmtất 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

- cácphản ứng

- cácquá 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 nhiềugiai đoạn trung gian,

- thành lập nhiềuchất trung gian Các chất này gọi là chất chuyển hóahay sản phẩm chuyển hóa

1.2 ĐỒNG HÓA VÀ DỊ HÓA

Đây là hai mặtmâu thuẫn nhưng thống nhấtcủa sự

chuyển hóa các chất

Đồng hóa: tiêu hóa – hấp thu– tổng hợp chất

Dị hóa: phân hủycác đại ph/tử của tế bào và môđể đổi mới;

đào thải chất cặn bã;

oxid hóa các chất hữu cơđể giải phóng năng lượng

cung cấp cho qúatrình TĐC, cho các hoạt động sống

6 (Đồng hĩa)

(Dị hĩa)

(giải phĩng NL)

(thu NL)

7 Hình 1.1 : Chu trình chuyển hóa trong thế giới sinh vật 8

1.3 NGUỒN GỐC CỦA NĂNG LƯỢNG SINH HỌC

Từ năng lượngánh sáng mặt trời(quang năng)

Các dạng năng lượng :

- hóa năng,

- cơ năng,

- nhiệt năng,

- điện năng,

- năng lượng thẩm thấu …

có thểchuyển 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 đểduy trì sự sống:

- duy trìcấu 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

thànhcông hữu íchkhi 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→ bằnghiệu 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

13 Hình 1.2 : Sự kết hợp giữa PƯGPNL và PƯ thu NL Hình 1.3 : Sự thành lập các hợp chất cao năng 14

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 10-4Kcal

- 1 Kcal = 4,1866 x 108j

18 Nối phosphate cao năng

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/mol Kjuole/mol

hữu cơ

∆ G’o Hợp 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 cácphản ứng oxid hóa-khửliên tục,

-Giải phóng năng lượngtrong 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 đểtổng 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 thànhCO2và vận chuyển H (proton H+và điện tử e-) đến O2để thành lập phân tửH2O

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 cơbị oxid hóatức là bịmất H

27

 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-)

N

C N H 2 O

H H

O H

O H

O

O P O C H2

O

_

+ H

N

N H2

N N

O P O C H2

N

H H

O H

O H

O

O

O H

H

N

C N H 2 O

H H

O H

O H O

O P O C H 2 O _

+ H

N

N H 2 N N

O P O C H 2

N

H H O

O H

O

O

O H

H

P O H

H O O

30

NH N

N

CH3

-O C 10

1

R

NH

H N

N H

CH3

-O C 10

1

R

FMN (FAD)

FMNH2 (FAD.H2)

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

P

_ O

CH 3

C C C C

C C

H

C H 3

H

N

N

C C C

N

NH C O

O

CH 2 HCOH HCOH HCOH

CH 2 O P

O O O _

P O

CH 2

O O _

H

O H OH H OH H N HC

N C C C

N

N CH

N H 2

1 2

3 4 10

9

5

6

1 10

32

Hình 1.7 :Cơ chế vận chuyển electron của CoQ

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

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

37 12-14 380

ATP synthase

Complex V

13 170

Cytochrome oxidase

Complex IV

9-10 250

Cytochrome C - coenzyme Q

oxidoreductase

Complex III

4 140

Succinate dehydrogenase (or)

Succinate-coenzyme Q reductase

Complex II

25 800

NADH dehydrogenase (or)

NADH-coenzyme Q reductase

Complex I

Polypeptides kDa

Thành phần Tổ hợp

Tóm tắt thông tin các tổ hợp enzyme của chuỗi hô hấp

38

Hình 1.9 : SƠ ĐỒ CHUỖI HÔ HẤP MÔ BÀO

39

Sơ đồ phân bố các tổ hợp enzyme

Các phản ứng oxid hóa-khử trong chuỗi hô hấp

Các giai đoạn phosphoryl hóa thành lập ATP

42

Hình 1.10 : Sơ đồ vận chuyển điện tử TL ATP

43 Hình 1-12 : Sự hoán chuyển ATP và ADP qua màng ty thể 44