Oxy hóa khử sinh học - Bộ môn Hóa sinh ĐHYHN

Năng lượng sinh học hay sự phosphoryl oxy hóa hay sự hô hấp tế bào là sự đốt cháy các chất hữu cơ tạo năng lượng cho các hoạt động sống của cơ thể... Điện tử đi từ chất có thế năng oxy

Oxy hóa khử sinh học

Ths Nguyễn Thị Thanh Hải

Bộ môn Hóa sinh - ĐHYHN

Mục tiêu:

1 Phân tích khái quát các bước thoái hóa glucid, lipid

và protein để tạo ATP.

2 Trình bày được sơ đồ chuỗi vận chuyển điện tử và

cơ chế tạo ATP ở ty thể.

3 Trình bày được chu trình acid citric: các phản ứng,

năng lượng sinh ra, đặc điểm và ý nghĩa.

ATP và các hợp chất giàu năng lượng

- Liên kết nghèo năng lượng: Khi thủy phân

giải phóng 1000- 5000 calo

VD: liên kết este

- Liên kết giàu năng lượng: Khi thủy phân giải

phóng > 7000 calo

Liên kết anhydrid phosphat

Liên kết acyl phosphat

= -10,1 kcal/mol

Liên kết enol phosphat

= 14,8kcal/mol

Liên kết amidphosphat

= -10,3 kcal/mol

Liên kết thioeste

COOH l

CH2 l

Khái quát năng lượng sinh học

Mọi tế bào, cơ thể sống đều cần năng lượng cho sự tồn tại, hoạt động và phát triển.

Các thành phần trong thức ăn có khả năng cung cấp năng lượng cho cơ thể là Glucid, Lipid và Protein.

Năng lượng sinh học hay sự phosphoryl oxy hóa

hay sự hô hấp tế bào là sự đốt cháy các chất hữu

cơ tạo năng lượng cho các hoạt động sống của cơ thể.

Sự đốt cháy các chất hữu cơ

-Nhanh, mạnh, cần

ngọn lửa

-Oxy không khí tiếp xúc

trực tiếp với cơ chất

-Năng lượng giải phóng

-Năng lượng giải phóng dần, dưới dạng hóa năng là chính, cần cho các hoạt động sống.

Khái quát năng lượng sinh học

- H2O : nhờ dây chuyền phản ứng tách, vận chuyển H và e

từ cơ chất đến O2 qua một loạt chất trung gian (chuỗi

vận chuyển điện tử) Giải phóng nhiều năng lượng.

Sự phosphoryl oxy hóa

Sự phosphoryl: sự gắn một gốc phosphat vào một chất hữu cơ

Điện tử đi từ chất có thế năng oxy hóa khử thấp

đến chất có thế năng oxy hóa khử cao trong chuỗi vận chuyển e gọi là quá trình oxy hóa

Trong quá trình đó năng lượng giải phóng để tổng hợp ATP gọi là phosphoryl hóa

Hai quá trình trên đi kèm với nhau gọi là phosphoryl oxy hóa

Chu trình acid citric

Đây là giai đoạn thoái hóa cuối cùng chung củacác chất

Sản phẩm cuối cùng của các chất là acid

pyruvic (3C)

Chất đầu tiên đi vào chu trình citric là Acetyl

CoA (2C)

→ Cần có phản ứng chuyển A.pyruvic thànhAcetyl CoA

A.Pyruvic → Acetyl CoA

(VitB1)

A.Pyruvic → Acetyl CoA

(VitB1)

Chu trình citric

8 phản ứng

1 Citrat Synthase

HO

CH 2 O

Oxaloacetat

OH O

Isocitrate

H 2 O

H 2 O

3.Isocitrat dehydrogenase

CO 2

4.a -Cetoglutarat dehydrogenase

CO 2

a-Cetoglutarat Succinyl-CoA

6.Succinat dehydrogenase

HO

CH 2 O

CH 2

HO O

HO

CH O

CH

FADH 2 FAD +

Succinat dehydrogenase là enzym gắn màng duy

nhất trong chu trình citric

7 Fumarase

Chu trình citric

Kết quả của chu trình Citric

Ý nghĩa chu trình citric

- Là giai đoạn 3, giai đoạn thoái hóa

cuối cùng chung của các chất, xảy ra

trong ty thể ở điều kiện ái khí

lượng, 1 gốc acetyl  12 ATP

nhiều chất khác

Chuỗi hô hấp tế bào (Chuỗi vận chuyển điện tử)

Điện tử được chuyển qua một loạt các chất vận chuyển cuối cùng đến O2

Các phức hợp vận chuyển điện tử

Phức hợp I: NADH Dehydrogenase

(NADH-CoQ Reductase)

Xúc tác sự vận chuyển điện tử và H+ từ NADH và proton từ trong ty thể đến ubiquinone (CoQ)

Kèm theo với quá trình này là sự vận chuyển 4 H+

từ trong lòng ty thể đến khoảng giữa hai màng

NADH + 5H+

M + Q → NAD+ + QH2 + 4H+

(khoảng giữa)

Cơ chế vận chuyển điện tử và H của NAD+

Cơ chế vận chuyển e của FAD hay FMN

Các trung tâm sắt lưu huỳnh

Phức hợp I Khoảng giữa 2

màng (P)

Lòng ty thể (N)

Phức hợp II: Succinat Dehydrogenase

(Succinat- CoQ Reductase)

Là enzym gắn màng duy nhất của chu trình acid citric Oxy hóa succinat thành fumarat FAD bị khử thành

FADH2, rồi nhanh chóng chuyển e đến trung tâm Fe-S

và cuối cùng tới ubiquinon (CoQ)

Phức hợp Succinat

Dehydrogenase.

Sự di chuyển điện tử tới ubiquinon, QH2.

Ubiquinon (CoQ)

-Là benzoquinon có chuỗi bên isoprenoid dài, tan trong lipid.

Khoảng giữa

2 màng

Lòng ty thể

Sự vận chuyển điện tử đến coenzym Q

Phức hợp III: Ubiquinon-cytochrom c

oxidoreductase

Gồm 3 thành phần Cyt b, trung tâm Fe-S và cyt c1

Vận chuyển e từ QH2 đến cytochrome c, cùng với đó là

vận chuyển 4 H+ từ trong lòng ty thể ra khoảng giữa

Phức hợp III còn gọi là phức hợp cytochrom bc1

Cytochrom c

Protein tan trong nước của khoảng giữa 2 màng

Nhận e từ cytochrom c1 của phức hợp III, chuyển qua nhân hem, sau đó e được chuyển cho phức hợp IV

Phức hợp IV: Cytochrom oxidase

Nhận e từ cytochrom c và khử O2 thành H2O

Điện tử được chuyển cho một trong hai ion Cu+ trong phức hợp (cyt a), sau đó chuyển cho 2 nhân hem, rồi chuyển cho ion Cu+ khác (cyt a3) và cuối cùng đến O2.Kết quả là:

2 cyt c(khử) + 4H+

M + 1/2O2 →

2cyt c(oxy hóa) + 2H+

(giữa 2 màng) +H2O

Phức hợp IV

Khoang giữa 2 màng

Lòng ty thể

Tóm tắt chuỗi vận chuyển điện tử

Trật tự sắp xếp chuỗi vận chuyển điện tử

Được định hướng chặt chẽ theo trình tự thế năng oxy hóa khử của các chất trong chuỗi Điện tử đi

từ chất có thế năng oxy hóa khử thấp tới chất có thế năng oxy hóa khử cao dần

Năng lượng được giải phóng dần ở từng chặng

Cách tính năng lượng giải phóng

Cơ chế tạo ATP của ty thể

Phản ứng giải phóng năng lượng nhiều, được dùng tổng hợp ATP từ ADP và Pi

Năng lượng sinh ra dùng bơm H+ qua phức hợp I, III,

và IV

Cấu tạo ty thể

(mitochondrion),

Vị trí xảy ra sự phosphoryl oxy hóa ở các tế bào nhân thật.

ATP synthase

Cấu tạo bởi 2 phức hợp oligome Fo và F1

Fo gắn chặt vào màng trong gồm 3 tiểu đơn vịtạo kênh cho H+ đi qua

F1 : 3 tiểu đơn vị a và 3 tiểu đơn vị  được gắn với Fo qua các tiểu đơn vị , δ, ε

ATP synthase

Năng lượng của sự vận chuyển e và Gradient H+

2 màng

Thuyết thẩm thấu hóa học

của Peter Michell

Năng lượng điện hóa do sự khác nhau về nồng độ H+

và sự tích điện của màng trong ty thể dẫn đến tổng hợp ATP khi H+ thụ động chuyển qua ATP synthase.

ADP + Pi + nH+

(giữa 2 màng) → ATP + H2O + nH+

(lòng ty thể)

Cơ chế quay của ATP synthase tạo ATP

Sự chênh lệch điện thế

(bên trong mang điện âm)

Sự tạo thành ATP

Sự vận chuyển 3 H+ qua phức hợp ATP

synthase tạo 1 phân tử ATP

Chuỗi vận chuyển e từ NADH tới oxy tạo 3 ATP Nếu đi từ succinat tạo 2 ATP

Năng lượng giải phóng trong quá trình vận chuyển e còn được dùng sinh nhiệt, vận chuyển canxi…

Điều hòa tổng hợp ATP

Ty thể tổng hợp ATP theo nhu cầu năng lượng của tế bào (nồng độ ADP)

Quá trình tổng hợp ATP được kích thích: nồng

độ ATP giảm, tăng nồng độ succinat, ADP+PiQuá trình tổng hợp ATP bị ức chế bởi các chất

ức chế chuỗi hô hấp tế bào hoặc chất phá

ghép quá trình oxy và phosphoryl hóa

Các chất ức chế chuỗi hô hấp tế bào

Các chất phá ghép quá trình oxy phosphoryl hóa

DNP (2,4 dinitrophenol) là chất phá ghép cho phép oxy hóa liên tục NADH với tốc độ cao nhưng

không tạo ATP mà năng lượng tỏa ra dưới dạng nhiệt

Thermogenin là chất phá ghép tự nhiên ở màng trong ty thể

Bệnh lý: basedow

Điều hòa tổng hợp ATP

Chất ức chế chuỗi

hô hấp tế bào

Chất phá ghép quá trình oxy phosphoryl hóa

Các chất ức chế hô hấp tế bào

Sự tạo ATP ở mức cơ chất

Xảy ra ở bào tương, không liên quan tới ty thểTrong quá trình đường phân có 2 phản ứng phosphoryl hóa ở mức cơ chất

Tóm tắt