Giáo trình trao đổi chất và năng lượng - ĐH Đà Lạt

Giáo trình trao đổi chất và năng lượng - ĐH Đà Lạt

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

CHƯƠNG I KHÁI NIỆM VỀ TRAO ĐỔI CHẤT VÀ TRAO ĐỔI NĂNG LƯỢNG 3

I NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC 3

1.Định luật thứ nhất của nhiệt động học 3

2 Định luật thứ hai của nhiệt động học 4

II BIẾN THIÊN NĂNG LƯỢNG TỰ DO CỦA CÁC PHẢN ỨNG HÓA HỌC 5

III KHÁI NIỆM VỀ PHOSPHATE CAO NĂNG 7

IV Mối quan hệ giữa năng lượng tự do và entropy 9

V NHIỆT ĐỘNG HỌC CỦA HỆ THỐNG HỞ 9

CHƯƠNG II OXY HÓA KHỬ SINH HỌC 13

I KHÁI NIỆM CHUNG 13

II BIẾN HÓA NĂNG LƯỢNG TRONG CÁC PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ 14

1 Phản ứng oxyhóa khử và thế khử tiêu chuẩn 14

2 Biến thiên năng lượng trong quá trình vận chuyển điện tử 16

CHƯƠNG 3 ENZYME OXY HÓA KHỬ 17

I DEHYDROGENASE PHỤ THUỘC PYRIDINE 18

II Dehydrogenase phụ thuộc flavin 20

III CYTOCHROME 21

1 Cytochrome c 22

2 Cytochrome oxydase 23

3 Các phức hệ cytochrome b 25

-4 Cytochrome b 5 26

5 Cytochrome vi khuẩn và phosphoryl hóa oxyhóa 26

IV SUPEROXIDE DISMUTASE, CATALASE VÀ PEROXYDASE 27

1 Peroxide và superoxide 27

2 Superoxide dismutase 27

3 Catalase và peroxydase 28

4 Oxygenase 28

5 Hydroxylase chứa molybden 29

CHƯƠNG 4 TRAO ĐỔI CARBOHYDRATE TRONG QUÁ TRÌNH HÔ HẤP 31

I SỰ TIẾP NHẬN VÀ HÌNH THÀNH GLUCOSE TRONG TẾ BÀO 31

1 Sự thâm nhập của glucose vào tế bào 31

2 Phosphorylhóa glucose Hexokinase và glucokinase 32

3 Dephosphrylhóa glucose Glucoso6phosphatase 34

II GLYCOLYS 34

1 Glycolys là cơ sở của các quá trình lên men 35

2 Các phản ứng của glycolys 36

3 Các phản ứng sau glycolys 42

4 Các phản ứng lôi cuốn các loại carbohydrate khác vào quá trình glycolys 43

-III DECARBOXYL-HÓA OXY-HÓA ACID PYRUVIC VÀ CHU TRÌNH ACID TRICARBOXYLIC 45

1 Decarboxylhóa oxyhóa acid pyruvic 45

2 Các phản ứng của chu trình acid tricarboxylic 47

IV PHOSPHORYL HÓA OXY HÓA 51

CHƯƠNG 5 TRAO ĐỔI CARBOHYDRATE TRONG QUÁ TRÌNH QUANG HỢP 55

I KHÁI NIỆM VỀ QUANG HỢP 55

1 Các yếu tố ảnh hưởng đến quang hợp 56

2 Phân tử biến hóa năng lượng 58

II Khái niệm về tích chất hai giai đoạn của quang hợp 59

1 pha sáng của quang hợp 60

2 Pha tối của quang hợp 66

III Cơ sở cấu trúc của quang phosphorylhóa 71

CHƯƠNG 6 TRAO ĐỔI LIPID TRUNG TÍNH 73

I OXYHÓA ACID BÉO 73

1 βOxyhóa acid béo no có số nguyên tử carbon chẳn 73

2 Oxyhóa acid béo no có số nguyên tử carbon lẻ 75

-3 β-Oxy-hóa acid béo không no 87

4 Thể cetone .89

5 Sử dụng lipid dự trữ cho mục đích sinh tổng hợp Chu trình glyoxylate .90

II SINH TỔNG HỢP ACID BÉO 91

1 Sinh tổng hợp acid béo no .91

2 Sinh tổng hợp acid béo không no .93

III SINH TỔNG HỢP TRIACYLGLYCERIN .95

CHƯƠNG 7 MÀNG SINH HỌC VÀ SỰ VẬN CHUYỂN VẬT CHẤT QUA MÀNG 97

I THÀNH PHẦN CẤU TẠO CỦA MÀNG TẾ BÀO .97

II CẤU TRÚC PHÂN TỬ CỦA MÀNG TẾ BÀO .97

1 Màng lipid luôn chuyển động 97

2 Protein màng nằm xen qua màng và tạo khe trên màng 98

3 Sự lai ghép màng có mặt trong nhiều quá trình sinh học .100

III VẬN CHUYỂN CHẤT TAN QUA MÀNG .100

1 Vận chuyển theo kiểu khuếch tán đơn giản 101

2 Vận chuyển tích cực qua màng .103

CHƯƠNG I KHÁI NIỆM VỀ TRAO ĐỔI CHẤT VÀ TRAO

ĐỔI NĂNG LƯỢNG

Các phản ứng enzyme có tính định hướng và liên quan mật thiết với nhau xảy

ra trong tế bào mà ta gọi là quá trình trao đổi chất Sản phẩm trung gian hình thành trong quá trình này được gọi là chất trao đổi và toàn bộ chuỗi biến hóa đó được gọi là quá trình trao đổi trung gian

Sự biến hóa năng lượng đi kèm với mỗi phản ứng enzyme của quá trình trao đổi trung gian Ở một số giai đoạn của quá trình dị hóa năng lượng hóa học của các chất trao đổi được tích lũy (thường ở dạng năng lượng của liên kết phosphate) Ở những giai đoạn nhất định của quá trình đồng hóa năng lượng này

được đem ra sử dụng Khía cạnh này của trao đổi chất được gọi là sự liên hợp

năng lượng

Trao đổi trung gian và liên hợp năng lượng là những khái niệm liên quan nhau và phụ thuộc nhau Vì vậy, khi nghiên cứu trao đổi chất, cùng với tìm hiểu các phản ứng dẫn đến sự biến đổi cấu trúc đồng hóa trị của các chất tiền thân để tạo ra các sản phẩm của phản ứng, chúng ta cần nắm được những biến đổi về mặt năng lượng đi kèm với các phản ứng đó Để hiểu được cả hai khía cạnh này của trao đổi chất, trước hết, cần phải hiểu rõ các khái niệm cơ bản của nhiệt động học

I NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC

Khi vận dụng quy luật của các phản ứng hóa học để tìm hiểu các tính chất của hệ thống sinh học chúng ta thường gặp các quy luật sau:

Lực phát sinh năng lượng và trạng thái cân bằng của phản ứng hóa học;

Cơ chế phản ứng, tức các con đường và chiều hướng phản ứng diễn ra qua các giai đoạn trung gian có tính quy luật và tốc độ phản ứng phụ thuộc vào các quy luật này Do tính chất đặc trưng của các phản ứng sinh học là xúc tác bằng enzyme nên bên cạnh hai quy luật trên cần phải quan tâm tới các quy luật tác dụng của enzyme Nhiệt động học hóa sinh học vì vậy có nhiệm vụ vận dụng các định luật của nhiệt động học của các phản ứng hóa học để giải thích các quá trình trao đổi chất, đặc biệt là trong việc tìm hiểu và giải thích sự kết hợp các quy luật biến đổi vật chất trong trao đổi trung gian với các thông số năng lượng, từ đó cho phép dự đoán về mặt năng lượng tiềm tàng và năng lượng giải phóng cũng như về tính chất cân bằng của phản ứng hóa học, trong đó đáng chú ý là mức độ biến thiên của các trạng thái chức năng như thể tích, áp suất và nhiệt độ

1.Định luật thứ nhất của nhiệt động học

Theo định luật thứ nhất của nhiệt động học, tổng số nhiệt và công trong hệ

thống trao đổi với môi trường chung quanh bằng mức độ biến đổi năng lượng bên trong (nội năng) của hệ thống

Như vậy có nghĩa là trong hệ thống có năng lượng dư trữ bao gồm các dạng khác nhau như nhiệt, công, công suất, điện năng v.v Chúng được tính bằng các đơn vị tương ứng là calor (nhiệt), kilogam-meter (công), volt (điện thế), wat/giây (công suất)

Vì cơ thể sống là một thể thống nhất nên theo định luật thứ nhất của nhiệt động học thì nội năng U là một trạng thái và U phụ thuộc vào các nhân tố thể tích

V, áp suất P và nhiệt độ T

Trong quá trình biến đổi năng lượng thành nhiệt lượng Q và công A thì nội năng U sẽ biến đổi từ U1 đến U2 Do đó Q và A tính theo nội năng sẽ là :

Như đã nói ở trên, các trạng thái thay đổi của một hệ thống đều dẫn đến các biến đổi hóa học trong quá trình giải phóng và tiêu hao năng lượng phụ thuộc vào các nhân tố như áp suất, thể tích và nhiệt độ Trong các hệ thống sống mối quan hệ phụ thuộc này đơn giản hơn, vì các phản ứng xảy ra hầu hết trong môi trường nước,

đo đó áp suất được coi là hằng số, còn nhiệt độ và thể tích thay đổi không đáng kể Các quá trình khác nhau có mức năng lượng khác nhau; hiệu số nhiệt lượng giữa hai trạng thái gọi là hiệu ứng nhiệt (∆H), được tính theo công thức sau:

∆H = ∑(∆Hp - ∆Hs)

trong đó p là sản phẩm , s là cơ chất của phản ứng

Ví dụ tính biến đổi đẳng nhiệt (tính hiệu ứng nhiệt ∆H) khi đốt cháy glucose trong điều kiện T = 298oK (25oC) và p = 1 atm:

2 Định luật thứ hai của nhiệt động học

Theo định luật thứ nhất của nhiệt động học thì biến đổi trạng thái từ A sang B bằng với sự biến đổi từ B sang A Như vậy, định luật thứ nhất không cho chúng ta biết chiều hướng của biến đổi Do đó muốn biết chiều hướng biến đổi thì phải dựa vào định luật thứ hai của nhiệt động học Định luật này bao gồm các nguyên tắc cơ

trình mà trong đó diễn ra sự biến đổi tương hỗ giữa nhiệt lượng và công, có nghĩa là không có động cơ vĩnh cửu

Trong tự nhiên các quá trình tự xảy ra (như các phản ứng hóa học) thường không thuận nghịch mà chỉ xảy ra theo một hướng xác định Nếu muốn quá trình xảy ra theo hướng ngược lại (tạo thành trạng thái ban đầu) đòi hỏi phải bổ sung công tác động từ bên ngoài vào hệ thống

Như vậy vấn đề đặt ra là lực khởi động của một phản ứng hóa học như thế nào và có thể làm thay đổi mức độ bất thuận nghịch được không Để trả lời câu hỏi

này cần phải nói tới một khái niệm nhiệt động học là entropy (S) Nó được xác

định theo công thức dưới đây:

b/ Biến đổi trạng thái diễn ra từ từ thì entropy cũng có thể tăng

c/ Khi nào entropy của hệ thống kín đạt giá trị cực đại thì hệ thống đạt được trạng thái cân bằng

d/ Ở trạng thái cân bằng biến đổi entropy (∆S) của hệ thống bằng không (zero)

Căn cứ vào phương trình S = Q/T [Cal/oK) có thể tính được biến thiên entropy bằng các thông số nhiệt lượng mà hệ thống đã trao đổi với môi trường bên ngoài khi thay đổi trạng thái, do đó entropy có thể là dương và cũng có thể là âm

Nếu coi entropy là mức độ mất trật tự của hệ thống thì kết quả sẽ là:

- Khi tăng entropy (ký hiệu dương: +) mức độ mất trật tự của hệ thống sẽ tăng lên;

Khi giảm entropy ((ký hiệu âm: -) mức độ ổn định của hệ thống sẽ tăng lên và mức độ mất trật tự của hệ thống sẽ giảm xuống

Thể khí có entropy lớn hơn thể lỏng vì các phần tử ở thể khí có mức độ tự do lớn hơn thể lỏng Tương tác các hợp chất phân tử nhỏ có entropy cao hơn các chất phân tử lớn

II BIẾN THIÊN NĂNG LƯỢNG TỰ DO CỦA CÁC PHẢN ỨNG HÓA HỌC

Khi kết hợp định luật thứ nhất với định luật thứ hai của nhiệt động học, chúng

ta có hai trạng thái chức năng mới là: nhiệt lượng tự do (H) và mức độ năng lượng tự do (G) Trong quá trình phản ứng thuận và nghịch H và G biến đổi thì trạng thái của hệ thống cũng bị biến đổi theo Như vậy, theo định luật thứ nhất của nhiệt động học chúng ta có:

Mặt khác chúng ta có mối quan hệ gữa năng lượng tự do G với nhiệt lượng tự

do H như sau:

H = G + TS, do đó ∆H = ∆G + T∆S

Như vậy vấn đề đặt ra cái gì là lực khởi động của một phản ứng hóa học? Trên cơ sở phân tích nhiệt động học thì lực khởi động của phản ứng là biến thiên năng lượng tự do ∆G Nếu mức độ năng lượng tự do G là công thì từ phương trình

∆H = ∆G + T∆S có thể suy ra ∆G = ∆H - T∆S Như vậy, biến thiên năng lượng tự

do ∆G có vai trò quan trọng đối với các phản ứng hóa học

Ở điều kiện nhiệt độ và áp suất nhất định biến thiên năng lượng tự do là một thông số đặc trưng của hệ thống Trong những điều kiện đó năng lượng tự do của hệ thống có xu hướng giảm đến giá trị tối thiểu ứng với trạng thái cân bằng

Biến thiên năng lượng tự do ∆G của phản ứng hóa học được rút ra từ định luật cân bằng hóa học

Đối với phản ứng bất kỳ

Qua phương trình (2), ta có thể thấy rằng ∆Go sẽ bằng ∆Gkhi nồng độ của mỗi chất tham gia phản ứng đều bằng 1M

Biến thiên năng lượng tự do tiêu chuẩn ∆Go của phản ứng có thể hiểu là hiệu số giữa năng lượng tự do tiêu chuẩn của các chất ban đầu Gor và năng lượng tự do tiêu chuẩn của sản phẩm của phản ứng Gop tức là:

∆Go = Gop - Gor (7)

Như vậy, đối với phản ứng (1) hiệu số năng lượng tự do có thể biểu diễn bằng phương trình

do có thể giải phóng khi 1 mol chất đó bị phân hủy hoàn toàn

∆Go đối với mỗi phản ứng tại một nhiệt độ nhất định là một hằng số, còn

∆G của phản ứng biến đổi tùy thuộc vào nồng độ của các chất ban đầu và sản phẩm của phản ứng Giá trị ∆G cho thấy phản ứng có xảy ra theo chiều ta mong muốn hay không ở điều kiện nồng độ nào đó của các chất tham gia phản ứng Phản ứng chỉ có thể xảy ra trong trường hợp ∆G có giá trị âm, tức trong trường hợp biến thiên năng lượng tự do giảm Trong khi đó phản ứng mà biến thiên năng lượng tự

do tiêu chuẩn ∆Go của nó có giá trị dương vẫn có thể xảy ra nếu các chất ban đầu và sản phẩm của phản ứng có nồng độ sao cho ∆G của phản ứng có giá trị âm Phương trình (6) cho biết giá trị ∆Go của bất cứ phản ứng nào trên cơ sở giá trị của K'eq Nếu hằng số cân bằng của phản ứng bằng đơn vị thì ∆Go=0 Nếu hằng số cân bằng lớn hơn đơn vị thì ∆Go< 0 Phản ứng trong trường hợp đó là loại phản ứng giải phóng năng lượng; Nếu K'eq nhỏ hơn đơn vị thì ∆Go > 0 và phản ứng trong trường hợp này là loại phản ứng hấp thu năng lượng Loại phản ứng này không thể tự xảy ra theo chiều thuận ở nồng độ ban đầu của các chất tham gia phản ứng đều bằng 1,0M

Tất cả các quy luật trên đây đều đúng với các phản ứng sinh hóa Tuy nhiên khi phân tích các hệ thống sinh hóa về mặt nhiệt động học cần phải bổ sung ba điều kiện có ý nghĩa rất quan trọng sau đây:

1/ Nếu chất phản ứng ban đầu hay sản phẩm của phản ứng là nước thì nồng độ ban đầu của nó được xem là bằng 1,0M

2/ Giá trị pH chuẩn được xem là pH=7,0 chứ không phải pH=0 như trong các hệ thống phản ứng hóa học thông thường.Trong trường hợp này biến thiên năng lượng tự do tiêu chuẩn (ở pH=7,0) được ký hiệu là ∆Go'

3/ Sử dụng gía trị ∆Go' trong việc xác định biến thiên năng lượng của các phản ứng sinh hóa có nghĩa là tỷ lệ các dạng ion-hóa và không ion-hóa ở pH=7,0 của các chất tham gia phản ứng và sản phẩm của phản ứng phải được xem là trạng thái tiêu chuẩn

Vì cùng với sự biến đổi giá trị pH mức độ ion-hóa của một hay một số thành phần cũng biến đổi theo, nên giá trị ∆Go' không phải lúc nào cũng có thể được sử dụng cho các gía trị pH khác nhau

III KHÁI NIỆM VỀ PHOSPHATE CAO NĂNG

Thông qua việc xác định hằng số cân bằng của các phản ứng người ta đã xác định được gía trị ∆Go' của các phản ứng thủy phân ATP Trong khi phản ứng thủy phân ATP thành ADP và phosphate vô cơ và thủy phân ADP thành AMP và phosphate vô cơ có ∆Go'= -7,3Kcal, thì phản ứng thủy phân AMP thành adenosin và phosphate vô cơ ∆Go' chỉ bằng -3,4Kcal

Bảng 1.1 Gía trị ∆G o ' (Kcal/mol) của phản ứng thuỷ phân một số phosphate

có ý nghĩa sinh học

Phosphoenolpyruvate -14,80 1,3-diphosphoglycerate -11,80

Creatinphosphate -10,30 Acetylphosphate -10,10 Arginine phosphate - 7,70

cùng trong phân tử ATP được gọi là liên kết cao năng (ký hiệu là ~ ) và ATP vì

vậy được gọi là hợp chất cao năng

Tuy nhiên, nếu so sánh gía trị ∆Go' của phản ứng thủy phân ATP thành

ADP và Pvc với các gía trị ∆Go' của phản ứng thủy phân nhiều hợp chất phosphate

(bảng 1.1), ta sẽ thấy gía trị -7,3 Kcal chỉ chiếm vị trí trung gian

Trên cơ sở các giá trị ∆Go'nói trên các liên kết của hai gốc phosphate tận

cùng trong phân tử ATP được gọi là liên kết cao năng (ký hiệu là ~ ) và ATP vì

vậy được gọi là hợp chất cao năng

Tuy nhiên, nếu so sánh gía trị ∆Go' của phản ứng thủy phân ATP thành

ADP và Pvc với các gía trị ∆Go' của phản ứng thủy phân nhiều hợp chất phosphate

(bảng 1.1), ta sẽ thấy gía trị -7,3Kcal chỉ chiếm vị trí trung gian

Những hợp chất đứng đầu bảng dễ nhường gốc phosphate của mình, còn

những hợp chất đứng cuối bảng có xu hướng giữ gốc phosphate lại Qua bảng trên

ta thấy rõ giữa phosphate cao năng và phosphate năng lượng thấp không có ranh

giới rõ ràng ATP chiếm vị trí trung gian trong bảng này Toàn bộ chức năng của

ATP là ở chỗ nó là khâu trung gian của việc vận chuyển gốc phosphate từ những

hợp chất cao năng đến những chất nhận có giá trị ∆Go'thấp hơn giá trị ∆Go' của nó

Trong các phản ứng kế tiếp nhau mà trong đó việc vận chuyển năng lượng

do ATP đảm nhận, năng lượng trước tiên được chuyển từ một hợp chất cao năng

cho ADP và tích trữ lại ở dạng ATP Sau đó ATP lại nhường lại gốc phosphate tận

cùng của mình cho phân tử chất nhận, nhờ đó mà mức chứa năng lượng của chất

nhận được tăng lên

Ngoài ATP, năng lượng còn được vận chuyển nhờ các loại 5'-diphosphate

và 5'-triphosphate khác Tuy nhiên, tất cả chúng đều liên quan đến ATP thông qua

enzyme nucleoside diphosphate kinase xúc tác các phản ứng thuận nghịch sau đây:

ATP + UDP ⇔ ADP + UTP

ATP + GDP ⇔ ADP + GTP

ATP + CDP ⇔ ADP + CTP

ATP + dCDP ⇔ ADP + dCTP

IV MỐI QUAN HỆ GIỮA NĂNG LƯỢNG TỰ DO VÀ ENTROPY

Mối quan hệ giữa năng lượng tự do G và entropy S được diễn đạt bằng công thức:

∆G = ∆H - T∆S, trong đó ∆H là biến thiên nhiệt lượng tự do

Dựa vào phương trình này khi biết biến thiên nhiệt lượng và biến thiên năng lượng thì có thể tính được entropy Có thể xác định biến đổi entropy trong ba trường hợp sau:

a/ Entropy của sản phẩm nhỏ hơn entropy của chất tham gia phản ứng Trong trường hợp này ta có ∆S là một số âm

Ví dụ phản ứng kết hợp H2 với O2 để tạo ra H2O có ∆S = -38,7 Kcal/mol b/ Entropy của sản phẩm lớn hơn entropy của chất tham gia phản ứng, nghĩa là entropy tăng lên trong quá trình biến đổi trạng thái

Ví dụ phản ứng đốt cháy một phân tử glucose có ∆S = 67,42 Kcal/mol

c/ Entropy của sản phẩm bằng entropy của chất tham gia phản ứng Trong trường hợp này ∆S = 0, tức ∆G = ∆H, như vậy có nghĩa là không có tỏa nhiệt tự do mà toàn bộ nhiệt đã biến thành công

V NHIỆT ĐỘNG HỌC CỦA HỆ THỐNG HỞ

Theo định luật thứ nhất của nhiệt động học, các quá trình xảy ra không thuận nghịch chỉ đúng trong những phạm vi nhất định Về phương diện không gian, thì các quá trình không thuận nghịch thường xuyên vẫn phải trao đổi chất và trao đổi năng lượng với môi trường xung quanh Trong những hệ thống như vậy ở một thời điểm nhất định chúng tạm thời cân bằng, nhưng thực chất các quá trình hiển vi đã kết thúc Xét về mặt trạng thái, ở thời điểm cân bằng từ trạng thái ổn định có lẻ đã bắt đầu xuất hiện một trạng thái lộn xộn mới Điểm dừng tạm thời đó có ∆Go = 0 và S cực đại Nhưng ngay ở những hệ thống như vậy việc trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh vẫn xảy ra – gọi là những hệ thống không kín hay hệ thống hở – do đó entropy có thể giảm

Dấu hiệu đặc trưng của hệ thống sinh học khác với những điều cho biết ở định luật thứ hai của nhiệt động học là entropy của chúng giảm, có nghĩa là từ trạng thái không ổn định chuyển đến trạng thái ổn định Về khả năng này đã được chứng minh bằng các ví dụ phát triển cá thể cũng như các nguyên tắc làm tăng tính ổn định trong trao đổi chất Từ sai khác này đi đến kết luận bản chất sự sống không có biểu hiện định luật thứ hai của nhiệt động học

Đặc điểm của hệ thống hở là trao đổi chất và trao đổi năng lượng với môi trường xung quanh Như vậy nẩy sinh những quy luật mới là hình thành nhiệt động học của hệ thống hở và chỉ có thể ứng dụng định luật thứ hai vào những trường hợp đặc biệt của hệ thống hở

Tuỳ thuộc vào trạng thái tự nhiên người ta quy định một hệ thống nhất định Nhiệt động học coi bầu trời với con người làhệ thống kín, nhưng thực chất con người vẫn là hệ thống hở vì con người hoàn toàn có khả năng trao đổi chất và trao đổi năng lượng trong một khung cảnh nhất định Tất nhiên, hệ thống chung (con người với bầu trời) tuân theo định luật thứ hai của nhiệt động học Entropy trong

từng bộ phận của hệ thống chung giảm xuống, có nghĩa là entropy của hệ thống chung không tăng liên tục

Để thấy rõ hơn, người ta ví dụ hiện tượng kết tinh trong quá trình nóng chảy Kết tinh có trạng thái ổn định hơn so với nóng chảy, nghĩa là entropy của kết tinh nhỏ hơn nóng chảy, tất nhiên quá trình xảy ra trong các nhiệt độ khác nhau Nhưng khi kết tinh thì một phần nhiệt đã trao đổi với xung quanh, làm cho entropy của hệ thống chung vẫn tăng lên, vì nhiệt thải ra môi trường gây thế năng biến đổi không thuận nghịch, do đó tạo thành năng lượng động học không trình tự Như vậy, định luật thứ hai của nhiệt động học hầu hết đúng và có ý nghĩa đối với phạm vi đại thể, còn phạm vi các chất phân tử thấp và không gian nhỏ bé thì sự phân chia ổn định của các phân tử không thể xảy ra Từ đó đòi hỏi những người nghiên cứu nhiệt động học của các quá trình sinh học phải lựa chọn những hệ thống sinh học thích hợp với quy luật chung của nhiệt động học

Vấn đề đặt ra là bản chất của hệ thống hở là gì và ở đâu? Điều này đã được khẳng định: đó là những hệ thống có dấu hiệu cơ bản “trao đổi chất và năng lượng với môi trường xung quanh” Những quá trình trao đổi không ngừng này của hệ thống diễn ra với hình thế “cân bằng động”, khác hẵn với những trạng thái cân bằng nhiệt động học

Trạng thái cân bằng động được đặc trưng bằng các thông số dưới đây:

- Tốc độ biến đổi (ví dụ trong trường hợp phản ứng hóa học) là hằng số;

- Tất cả các điều kiện như áp suất, nhiệt độ và nồng độ là những hằng số lớn;

- Quá trình chung diễn ra trong trạng thái tĩnh thì không thuận nghịch

Nhiều quá trình trong cơ thể sống, ví dụ các phản ứng hóa học của chuỗi enzyme trao đổi chất, chuyển tiết (vận chuyển, dẫn truyền), tình thế (phenomen) , trong những điều kiện nhất định, chúng có thể là những trạng thái cân bằng động củn hệ thống hở Chúng còn được gọi là “cân bằng động” hay hệ thống tĩnh (steady state system) Về phương diện động học thì cân bằng động là quan hệ và tỷ lệ khối lượng của các tiểu phần tham gia biến đổi là hằng số và các sản phẩm tạo thành biến đổi theo thời gian bằng không (0) Ví dụ biến đổi từ chất A qua các bước trung gian đến P diễn ra:

A → B → C → D → E → P

Như vậy cân bằng động sẽ là:

dA/dt = hằng số = dP/dt

Theo định luật thứ hai của nhiệt động học có thể trình bày trao đổi chất và trao đổi năng lượng với môi trường xung quanh theo phương trình dưới đây:

dS = dSi + dSA

Như vậy, biến đổi entropy chung của hệ thống dS có hai phần:

Phần thứ nhất dSA là biến đổi entropy xuất hiện khi trao đổi chất và trao đổi năng lượng với môi trường xung quanh Phần này tuỳ thuộc vào quá trình phản ứng xảy ra, nên có thể là dương, cũng có thể là âm

Phần thứ hai là dSi của hệ thống do những quá trình không thuận nghịch xảy

ra ngay trong lòng hệ thống và thường xuyên là số dương Vì vậy biến đổi entropy chung của hệ thống hở có thể hoặc là tăng hoặc là giảm, nghĩa là phụ thuộc vào

dSA (âm hay dương), cho nên chúng ta có thể viết dưới dạng phương trình khi cân bằng như sau:

dS/dt = dSi/dt + dSA/dt

trong đó dSA/dt là entropy luôn luôn bị phá huỷ, nghĩa là tốc độ biến đổi entropy phụ thuộc vào trao đổi chất và trao đổi năng lượng sản sinh entropy dSi/dt, làm cho entropy của quá trình không thuận nghịch biến đổi

Khi hệ thống hở có nhiều trạng thái dừng thì dSi/dt có giá trị dương thấp Điều đó có nghĩa là hệ thống ở cân bằng động thì tạo ra entropy tối thiểu Kết luận này có ý nghĩa quan trọng đối với các quá trình sinh học, vì sinh vật là một hệ thống hở có quan hệ chặt chẽ giữa vận chuyển vật chất và năng lượng với hiệu quả cao Dựa vào những điều có thể biết được khi tạo ra entropy tối thiểu của phản ứng xảy ra không thuận nghịch để phỏng đoán nguyên tắc điều chỉnh hiệu quả kinh tế sinh học Từ những cơ sở đó có thể vận dụng các quy luật tối thiểu để giải thích sự biến đổi sinh học, hóa học, lý học từ những dẫn liệu chưa biết hay chưa được kiểm tra Trạng thái cân bằng động còn được đặc trưng khi làm biến đổi entropy chung của hệ thống hở, có nghĩa là là dS/dt = 0 Như vậy, dSA/dt thường xuyên phải là số âm Do đó có thể kết luận: chỉ có nhiệt động học của hệ thống hở mới có trạng thái cân bằng động, còn khi hệ thống không ở trạng thái cân bằng động nữa thì dS/dt phải là dương hay âm chứ không thể bằng không (0)

Tuy nhiên, hệ thống sinh học vẫn còn một vài dấu hiệu biểu hiện hệ thống kín, như làm giảm entropy trong cơ thể sống Cơ thể sống lấy chất dinh dưỡng vào và biến đổi thành chất liệu của cơ thể mình, đồng thời bài xuất các sản phẩm có phân tử thấp

Người ta cho biết ba nhóm chất là thành phần dinh dưỡng, thành phần cơ thể và sản phẩm bài xuất có mức độ entropy nhất định Cụ thể entropy chất dinh dưỡng nằm khoảng giữa entropy cơ thể và entropy sản phẩm bài xuất

Scơ thể < Sdinh dưỡng < Sbài xuất

Việc giảm sút entropy là để tiến hành tổng hợp các chất cho cơ thể làm cho

cơ thể tồn tại, sinh trưởng và phát triển bình thường Bên cạnh đó, muốn giảm entropy thường xuyên thì phải bài xuất các sản phẩm trao đổi chất Bởi vì cơ thể là một trạng thái ổn định cao, do đó có thể làm giảm entropy đến một giá trị âm Cho

nên, theo quan điểm động học thì cơ thể đang sinh trưởng và phát triển, entropy theo hướng giảm dần, còn cơ thể ở trạng thái thoái hóa, già nua thì entropy tăng lên

Nói tóm lại, giữa hệ thống kín và hệ thống hở có những điểm khác nhau cơ bản sau:

Hệ thống kín Hệ thống hở

Không trao đổi chất và năng lượng

với môi trường xung quanh

Xuất hiện cân bằng không phụ

thuộc thời gian

Cân bằng nhiệt động học là thuận

nghịch

Khi hệ thống kín đạt trạng thái cân

bằng thì S cực đại và biến đổi dS trong

CHƯƠNG II OXY HÓA KHỬ SINH HỌC

I KHÁI NIỆM CHUNG

Từ cuối thế kỷ 18 Lavoisier đã kết luận các chất bị đốt cháy là do kết hợp với oxy không khí Khi nghiên cứu trao đổi khí ở động vật ông cũng chứng minh rằng có hấp thụ oxy và thải CO2, đồng thời tạo nhiệt trong cơ thể Như vậy, đốt cháy hay oxy hóa sinh học đều là quá trình gắn oxy của không khí với carbon và hydro của chất hữu cơ để tạo thành CO2 và nước, đồng thời giải phóng năng lượng

Đến đầu thế kỷ 20 nhờ các công trình nghiên cứu của nhiều tác giả khác nhau vấn đề oxy hóa nhanh chóng các hợp chất hữu cơ trong điều kiện nhiệt độ thấp của

cơ thể đã được sáng tỏ với tên gọi là quá trình oxy hóa sinh học

Theo quan điểm hiện đại, oxy hóa sinh học là oxy hóa hy dro đã tách ra từ những chất bị oxy hóa để tạo thành nước Giai đoạn đầu của quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ trong tế bào được thực hiện với sự xúc tác của các dehydrogenase có coenzyme là NAD+ (nicotinamide adenine dinucleotide) hoặc NADP+

(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate) Hydro của cơ chất bị oxy hóa sẽ gắn vào các coenzyme đó như sau:

SH2 + NAD+ (NADP+) ⎯→ S + NADH + H+ (NADPH + H+)

Từ NADH hoặc NADPH hydro lại chuyển tới dehydrodenase có coenzyme là FAD (flavine adenine dinucleotide):

NADH + H+ + FAD ⎯→ NAD+ + FADH2

Tiếp đó hydro lại được chuyển từ FADH2 sang các hợp chất vận chuyển khác và cuối cùng chuyển tới oxy để tạo thành nước Sản phẩm oxy hóa sinh học lipid và glucid là CO2 và nước, còn sản phẩm oxy hóa sinh học aminoacid và các hợp chất chứa nitơ khác là CO2, H2O và NH3

Các chất khác nhau bị oxy hóa bằng các con đường khác nhau nhưng nói chung đều được kết thúc bằng chu trình acid tricarboxylic (chu trình Krebs)

Như trên đã nói, oxy hóa sinh học cũng có một số điểm tương tự với quá trình đốt cháy các hợp chất hữu cơ ngoài cơ thể, ví dụ khi oxy hóa glucose thì oxy hóa sinh học hay oxy hóa bên ngoài cơ thể đều sản sinh được 673 Kcal/mol Tuy nhiên, tế bào sống có hàng hoạt các đặc tính riêng Các đặc tính này trong quá trình tiến hóa hướng theo con đường sử dụng năng lượng tới mức cao nhất

Giữa oxy hóa sinh học và quá trình đốt cháy có một số điểm khác nhau cơ bản như sau:

a/ Đốt cháy xảy ra ở ngoài cơ thể và ở nhiệt độ cao, còn oxy hóa sinh học xảy

ra bên trong cơ thể và ở nhiệt độ thấp nhưng với tốc độ rất cao

b/ Đốt cháy giải phóng năng lượng ở dạng nhiệt, còn oxy hóa sinh học năng lượng giải phóng không chỉ ở dạng nhiệt mà còn ở dạng năng lượng của các liên kết hóa học, đặc biệt là ở dạng các liên kết cao năng của ATP

c/ Phản ứng đốt cháy xảy ra một giai đoạn còn oxy hóa sinh học cơ chất bị oxy hóa dần dần, chuyển thành các sản phẩm đơn giản hơn và cuối cùng bị oxy hóa hoàn toàn, nghĩa là xảy ra thành chuỗi phản ứng nhiều giai đoạn

d/ Đốt cháy nhờ tác dụng của nhiệt, còn oxy hóa các hợp chất hữu cơ trong cơ thể sống phụ thuôïc vào các enzyme, mỗi giai đoạn do các enzyme tương ứng xúc tác

II BIẾN HÓA NĂNG LƯỢNG TRONG CÁC PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ

1 Phản ứng oxy-hóa - khử và thế khử tiêu chuẩn

Năng lượng tích lũy trong các hợp chất hữu cơ được giải phóng trong quá trình hô hấp, trong đó các hợp chất này bị oxy-hóa thành khí carbonic, nước và một số sản phẩm đơn giản khác tùy thuộc vào thành phần nguyên tố của chúng Có nghĩa là, không kể quang hợp, mọi cơ thể đều thu nhận năng lượng trong các phản ứng oxy-hóa - khử, tức trong những phản ứng mà điện tử được vận chuyển từ chất cho (chất khử) sang chất nhận (chất oxy-hóa) Ở một số phản ứng oxy-hóa - khử sự vận chuyển điện tử được thực hiện cùng với vận chuyển các nguyên tử hydro Chất oxy-hóa và chất khử bao giờ cũng hoạt động liên hợp với nhau thành cặp Khả năng của chất khử nhường điện tử cho chất oxy-hóa thường được đánh giá bằng thế khử tiêu chuẩn Đó là sức điện động (đo bằng von) xuất hiện trong pin nửa mà trong đó chất khử và chất oxy-hóa với nồng độ 1,0M ở 25oC và pH=7 tạo thế cân bằng với điện cực vốn có khả năng nhận thuận nghịch điện tử từ chất khử theo phương trình phản ứng

hất khử Chất oxy-hóa + 2e-

Để đo thế khử tiêu chuẩn, người ta sử dụng thiết bị mà sơ đồ của nó được giới thiệu trong hình 1

1

V

2

3 4

Hình 1 Sơ đồ thiết bị đo thế khử tiêu chuẩn

1 - Von-kế; 2 - điện cực; 3 - dung dịch chất khử

và chất oxy-hóa ở nồng độ 1,0M, 25o C và pH=7;

4 - pin nửa tiêu chuẩn (có thế khử tiêu chuẩn biết trước)

hóa - chất khử ở trạng thái cân bằng Người ta quy ước thế khử tiêu chuẩn bằng không là thế khử của phản ứng:

H 2 2H+ + 2e -

Thế khử tiêu chuẩn của hệ thống H2 - 2H+ ở pH=7 ([H+]=1.10 -7 M), tức giá trị pH mà trong các phản ứng sinh hóa được xem là tiêu chuẩn, được ký hiệu là Eo' và có giá trị bằng -0,42V

Thế khử tiêu chuẩn của một số cặp chất oxy-hóa - chất khử quan trọng về mặt sinh học có giá trị giới thiệu trong bảng 2

Bảng2 Thế khử tiêu chuẩn của một số cặp chất oxy-hóa - chất khử xác định ở pH=7 và nhiệt độ 25-37 o C

Chất khử Chất oxy-hóa Eo' (V) Acetaldehyde Acetate -0,60

H2 2H+ -0,42 Isocitrate α-cetoglutarate + CO2 -0,38 NAD.H + H+ NAD+ -0,32 NADP.H + H+ NADP+ -0,32 NAD.H-Dehydrogenase (dạng

Thế khử tiêu chuẩn của một đôi nước - oxy theo phương trình

H2O 1/2O2 + 2H+ + 2e-

bằng +0,815V, tức có giá trị dương cao hơn nhiều so với đôi H2 2H+ Điều này giải thích tại sao nước có khả năng nhường điện tử rất yếu để tạo ra oxy phân tử

Thế khử tiêu chuẩn của một đôi chất khử - chất oxy hóa được tính bằng phương trình Nernst có dạng sau đây:

Nếu n=1 thì ở 25oC tỷ lệ 2,303RT/nF bằng 0,059 Nếu n = 2 thì tỷ lệ này bằng 0,03 Vì trong các hệ thống sinh học phổ biến cơ chế vận chuyển 2e - nên phương trình Nernst có thể được viết dưới dạng:

2 Biến thiên năng lượng trong quá trình vận chuyển điện tử

Như ta đã biết, biến thiên năng lượng tự +do tiêu chuẩn ∆Go’xảy ra trong bất cứ phản ứng hóa học nào đều có quan hệ với hằng số cân bằng K'eq của phản ứng đó bằng phương trình:

∆Go’ = -RTlnK'eq

Để tính giá trị biến thiên năng lượng tự do tiêu chuẩn trong trường hợp hai cặp oxy hóa-khử có thế khử tiêu chuẩn biết trước phản ứng với nhau, có thể sử dụng phương trình:

∆Go’= -nF∆Eo’

Trong đó ∆Go’ là biến thiên năng lượng tự do tiêu chuẩn, tính bằng calo; n - số điện tử được vận chuyển ; F là Số Faraday (23.062 cal) và ∆Eo’ là hiệu số thế khử tiêu chuẩn của chất nhận và chất cho điện tử

Trong phép tính này người ta quy ước rằng hệ thống tồn tại trong điều kiện tiêu chuẩn, tức tất cả các thành phần đều có nồng độ 1,0M ở 25oC và pH=7,0 Nhờ phương trình này có thể tính biến thiên năng lượng tự do tiêu chuẩn cho trường hợp khi một cặp điện tử được vận chuyển từ NAD.H (Eo' = - 0, 32V) đến oxy phân tử (Eo' = +0,82V), tức trường hợp điện tử được vận chuyển trong chuỗi hô hấp:

∆Go’= -2x23062 x [0,82-(-0,32)] = -52700cal = -52,7Kcal

CHƯƠNG 3 ENZYME OXY HÓA - KHỬ

Trong các phản ứng oxy-hóa - khử sinh học điện tử từ cơ chất được vận chuyển đến oxy không khí theo từng bước trên cơ sở giảm dần thế khử tiêu chuẩn Mỗi enzyme oxy hóa - khử hoạt động nhờ sự phối hợp của một nhóm chức năng gọi là cofactor hoặc coenzyme Trong khi đó, phần protein của enzyme (apoenzyme) quy định tính đặc hiệu cơ chất, hoạt hóa cơ chất và hoạt hóa cofactor thông qua tác dụng làm biến đổi thế khử của chúng

Mặc dù có hàng trăm loại enzyme oxy hóa - khử khác nhau tham gia trong các quá trình oxy-hóa sinh học, song chỉ có một số rất ít các cofactor hoặc coenzyme làm nhiệm vụ nhận hoặc nhường điện tử giữa cơ chất và sản phẩm Ví dụ, người ta đã phát hiện được trên 250 enzyme đều sử dụng các coenzyme nicotinamide nucleotide (NAD+ hoặc NADP+) làm chất nhận điện tử Chúng xúc tác cho các phản ứng có dạng dưới đây:

AH2 + E.NAD+ A + E.NAD.H + H+

và AH2 + E.NADP+ A + E.NADP.H + H+

Thế khử của cơ chất (AH2) được chuyển cho NAD.H (hoặc NADP.H) để sau đó sẽ tham gia trong các quá trình oxy hóa - khử khác

Một số dehydrogenase khác sử dụng các flavine nucleotide (F) làm coenzyme và xúc tác các phản ứng có dạng tổng quát sau đây:

Các enzyme oxy hóa - khử của chuỗi vận chuyển điện tử trong ty thể và trong lục lạp cũng có cofactor là kim loại (Fe, Cu, Mo ), heme hoặc các hợp chất hữu cơ chứa sắt và lưu huỳnh

Thông thường chỉ có một nhóm chức năng của một enzyme oxy hóa - khử kết hợp với một chuỗi polypeptide để tạo ra một đơn vị hoạt động Tuy nhiên, nhiều enzyme chứa một tập hợp các nhóm chức năng, bao gồm flavin nucleotide, các nhóm chứa sắt và lưu huỳnh, các nhóm heme và cả kim loại để tạo nên một chuỗi vận chuyển điện tử với chiều dài và mức độ phức tạp khác nhau để đáp ứng các nhu cầu đặc biệt của trao đổi chất

I DEHYDROGENASE PHỤ THUỘC PYRIDINE

Dehydrogenase phụ thuộc pyridine là nhóm enzyme oxy hóa - khử mà coenzyme là một trong các dẫn xuất của pyridine hai coenzyme phổ biến nhất của nhóm dehydrogenase này là nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) và nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP) Công thức cấu tạo của chúng được giới thiệu trong hình 2

Nhóm dehydrogenase này làm nhiệm vụ vận chuyển thuận nghịch từng đôi đương lượng khử (đôi điện tử hoặc đôi điện tử cùng với đôi proton) từ cơ chất AH2

đến dạng oxy hóa của coenzyme (NAD+ hay NADP+) Một trong hai đương lượng đó ở dạng hydro nằm trong pyridine nucleotide khử (NAD.H hay NADP.H), còn đương lượng kia - ở dạng điện tử Nguyên tử hydro thứ hai sau khi tách khỏi cơ chất được chuyển vào môi trường ở dạng ion H+ tự do (hình 3)

Những dehydrogenase liên quan với NAD chủ yếu tham gia quá trình hô hấp tức quá trình vận chuyển điện tử từ cơ chất đến oxy Trong khi đó, các enzyme liên quan với NADP chủ yếu tham gia vận chuyển điện tử từ cơ chất tham gia phản ứng

dị hóa đến các phản ứng khử của quá trình sinh tổng hợp Vì vậy, phần lớn NAD được phát hiện trong ty thể, còn đa số NADP thì nằm trong phần hòa tan của tế bào chất

Hình 3 Phản ứng dehydrogenase phụ thuộc pyridine

Đa số dehydrogenase phụ thuộc pyridine chỉ đặc hiệu với NAD hay chỉ đặc hiệu với NADP Tuy nhiên có một số dehydrogenase (ví dụ glutamate dehydrogenase) có thể sử dụng cả hai coenzyme này Trong bảng 3 giới thiệu một số dehydrogenase phụ thuộc pyridine và gía trị Eo' của đôi cơ chất chịu tác dụng của chúng

Chiều hướng của phản ứng và thành phần cân bằng của hệ thống oxy hóa - khử do nhóm enzyme phụ thuộc pyridine xúc tác có thể dự đoán trên cơ sở thế khử tiêu chuẩn của đôi NADH - NAD+ (hay NADP.H - NADP+) mà Eo' của chúng bằng -0,32V

Nếu quá trình oxy hóa - khử được thực hiện trong điều kiện tiêu chuẩn thì hệ thống có giá trị âm của thế khử tiêu chuẩn cao hơn so với NAD và NADP, sẽ có

xu hướng nhường điện tử cho dạng oxy-hóa của những coenzyme này, còn những hệ thống có giá trị dương của thế khử tiêu chuẩn lớn hơn sẽ có xu hướng nhận điện tử từ NADH hay NADPH

Nhiều enzyme thuộc nhóm dehydrogenase phụ thuộc pyridine thường tồn tại

ở một số dạng isoenzyme khác nhau, trong đó các cấu trúc dưới đơn vị phối hợp theo các tỷ lệ khác nhau Ví dụ điển hình là trường hợp của lactate dehydrogenase Enzyme này chứa hai loại phần dưới đơn vị ký hiệu là H và M Trong tế bào đã phát hiện 5 loại isoenzyme với 5 kiểu phối hợp khác nhau giữa hai loại phần dưới đơn vị này Do có cấu trúc dưới đơn vị khác nhau, nên mỗi dạng isoenzyme cũng phân biệt nhau bởi các giá trị Km và Vmax đặc trưng trong quan hệ với mỗi loại cơ chất và đóng các vai trò khác nhau trong quá trình trao đổi chất

Bảng 3 Thế khử tiêu chuẩn cuả một số hệ thống dehydro-genase phụ thuộc pyridin

Hệ thống E o ' của đôi cơ chất, (V) Phụ thuộc NAD

Isocitrate dehydrogenase - 0,38 D-β-oxybutyratedehydrogenase - 0,32 Glyceraldehyde-3-phosphate

Dihydrolipoil dehydrogenase - 0,24 Alcohol dehydrogenase - 0,20 Lactate dehydrogenase - 0,19 L-malate dehydrogenase - 0,17

Phụ thuộc NADP

Isocitrate dehydrogenase - 0,38 Glucoso-6-phosphate dehydrogenase - 0,32

Phụ thuộc NAD hoặc NADP

L-glutamate dehydrogenase - 0,14 NAD không chỉ đóng vai trò như một coenzyme trong các phản ứng oxy hóa

- khử mà còn có thể tham gia trao đổi chất tế bào với các chức năng khác Ví dụ, nó là một yếu tố không thể thiếu được trong phản ứng do ADN ligase của E coli xúc tác Trong phản ứng này NAD bị phân hủy thành AMP và nicotinamide mononucleotide (NMN) để cung cấp năng lượng cho sự hình thành liên kết phospho-diester giữa hai đoạn polydeoxyribonucleotide mà ADN ligase có nhiệm vụ phải nối lại

II DEHYDROGENASE PHỤ THUỘC FLAVIN

Dehydrogenase phụ thuộc flavin (hay còn gọi là flavoprotein) là những enzyme ma øcoenzyme là riboflavin-5'-phosphate (flavin mononucleotide, FMN) hoặc flavin adenine dinucleotide (FAD) mà cấu trúc của chúng được giới thiệu trong hình 4 Sự kết hợp của coenzyme với apoenzyme trong các enzyme khác nhau được thực hiện bằng các kiểu liên kết khác nhau - hoặc liên kết đồng hóa trị, hoặc liên kết không đồng hóa trị Tuy nhiên, ngay trong các trường hợp liên kết không đồng hóa trị thì sự kết hợp giữa coenzyme và apoenzyme vẫn luôn luôn chặt chẽ hơn so với các enzyme phụ thuộc pyridine Ngoài ra, các enzyme flavine còn có thể chứa một hoặc vài ion kim loại, phức hệ sắt-lưu huỳnh hoặc heme để gây

nên những biến đổi đáng kể trong hoạt tính xúc tác của chúng

Bộ phận hoạt động của phân tử FAD và FMN tham gia trong phản ứng là vòng

FAD

Hình 4 Cấu tao của FMN và FAD.

Phản ứng được thực hiện bằng cách vận chuyển trực tiếp đôi nguyên tử hydro từ cơ chất đến FAD hoặc FMN để tạo ra dạng khử của coenzyme, tức FAD.H2 hoặc FMN.H2 (hình 5)

Trong tế bào chất nhận điện tử từ dehydrogenase phụ thuộc flavin thường là một số enzyme thuộc nhóm cytochrome

Thuộc nhóm flavoprotein quan trọng nhất là những enzyme sau đây:

- NAD.H dehydrogenase: xúc tác sự vận chuyển điện tử từ NAD.H đến một

chất nhận nào đó chưa được xác định, có thể là một protein chứa sắt nào đó trong chuỗi hô hấp

- Succinate dehydrogenase: xúc tác phản ứng oxy-hóa acid suxinic thành

acid fumaric

Dihydrolipoyl dehydrogenase của hệ thống pyruvate dehydrogenase và

α-cetoglutarate dehydrogenase

- Các flavoprotein xúc tác giai đoạn đầu của quá trình β-oxy-hóa acid béo

Bộ phận hoạt động của phân tử FAD và FMN tham gia trong phản ứng là vòng isoaloxasine của riboflavin Phản ứng được thực hiện bằng cách vận chuyển trực tiếp đôi nguyên tử hydro từ cơ chất đến FAD hoặc FMN để tạo ra dạng khử của coenzyme, tức FAD.H2 hoặc FMN.H2 (hình 5)

Trong tế bào chất nhận điện tử từ dehydrogenase phụ thuộc flavin thường là một số enzyme thuộc nhóm cytochrome

Hình 5 Phản ứng dehydrogenase phụ thuộc flavin

III CYTOCHROME

Cytochrome là một nhóm protein chứa sắt có cấu tạo tương tự như hemoglobin, tham gia trong quá trình vận chuyển điện tử trong hô hấp cũng như trong quang hợp Trong quá trình hô hấp cytochrome đảm nhận việc vận chuyển điện tử từ các enzyme flavin đến oxy không khí; trong quang hợp cytochrome tham gia trong vận chuyển điện tử ở pha sáng

Cytochrome giống hemoglobin và myoglobin ở chỗ nhóm thêm của chúng là các hợp chất porphyrin chứa sắt Trong quá trình xúc tác xảy ra sự biến hóa thuận nghịch giữa Fe3+ và Fe2+ Cytochrome đứng cuối cùng trong chuỗi hô hấp có khả năng khử trực tiếp oxy phân tử thành O2-, vì vậy nó thường được gọi là cytochrome oxydase

Cytochrome được tìm thấy trong mọi cơ thể hiếu khí Hơn thế nữa, hàm lượng của chúng trong các cơ quan khác nhau có quan hệ chặt chẽ với hoạt động hô hấp

của các cơ quan đó Ví dụ, cơ tim rất giàu cytochrome, nhưng trong gan, thận, não

và đặc biệt là da, phổi hàm lượng cytochrome rất thấp

Các cytochrome khác nhau được phân biệt trên cơ sở quang phổ hấp thụ và

được ký hiệu bằng các chữ cái a, b, c hoặc bằng cách ghi chú kèm theo gía trị của

bước sóng hấp thụ cực đại (bảng 4) Trong ty thể của thực vật và động vật bậc cao

đã tìm thấy hàng loạt cytochrome khác nhau: cytochrome a, cytochrome a3,

cytochrome b, cytochrome b2 , cytochrome c và cytochrome o Hàng loạt

cytochrome khác cũng được tìm thấy trong thành phần của chuỗi vận chuyển điện

tử trong thylacoid của lục lạp

Bảng 4 Tính chất của một số cytochrome của động vật có vú

Cytochrome thực hiện việc vận chuyển điện tử với sự tham gia trực tiếp của

nguyên tử sắt trong thành phần của nhóm heme nằm tại trung tâm hoạt động của

mỗi cytochrome Nhóm thêm của hầu hết các cytochrome, trừ cytochrome a và

cytochrome a3, đều là phức hệ giữa protoporphyrin IX với sắt như trong

hemoglobin Trong ty thể, các điện tử bắt nguồn từ dạng khử của các enzyme

dehydrogenase phụ thuộc NAD hoặc flavoprotein được nguyên tử sắt trong thành

phần của heme của một cytochrome tiếp nhận để sau đó lại được chuyển cho một

nguyên tử sắt của một cytochrome khác Trật tự của chuỗi vận chuyển này sẽ được

đề cập đến sau

Đa số cytochrome gắn khá chặt với màng Nhiều cytochrome phối hợp chặt

chẽ với nhau và với các yếu tố vận chuyển điện tử khác, tạo nên các cấu trúc gồm

nhiều phần dưới đơn vị để không những thực hiện chức năng vận chuyển điện tử,

mà còn tham gia vào hoạt động bơm proton dể tạo ra gradient proton vốn cần cho

việc tổng hợp ATP trong quá trình phosphoryl-hóa oxy hóa

Sau đây là một số cytochrome quan trọng nhất:

1 Cytochrome c

Cytochrome c là nhóm protein vận chuyển điện tử được nghiên cứu khá đầy

đủ Chúng hoạt động như những thành phần của chuỗi vận chuyển điện tử trong ty

thể, tiếp nhận điện tử từ phức hệ cytochrome bc1 và sau đó chuyển cho phức hệ

cytochrome aa3:

Cytochrome bc1 (Fe2+) Cytochrome c (Fe3+) Cytochrome aa3 (Fe2+)

4 Cytochrome a+a3 (Fe2+) + O2 + 4H+ → 4 Cytochrome a+a3 (Fe3+) +2H2O Cytochrome oxydase từ các nguồn khác nhau chứa 7 phần dưới đơn vị Người ta cho rằng mỗi enzyme hoạt động là một dimer (MW=400.000) với 7 phần dưới đơn vị trong một monomer Một trong các nhóm chức năng trong phân tử enzyme là heme A (hình 6)

Hình.6 Công thức cấu tạo của heme A

Ion Fe2+ trong heme A của cytochrome oxydase có ái lực rất mạnh với cả

CO và O2 Ở dạng Fe3+ nó rất dễ gắn với CN-, S2- và NO3- ; điều đó giải thích vì sao những anion này có tính độc rất mạnh đối với mọi cơ thể hiếu khí Mỗi phần dưới đơn vị I và II chứa một phân tử heme A liên kết không đồng hóa trị với apoenzyme để tương ứng tạo ra cytochrome a và cytochrome a3 Các nhóm chức năng khác là hai ion Cu2+ cũng liên kết với phần dưới đơn vị II Trong khi đó phần dưới đơn vị III được cho là có vai trò như một translocase vận chuyển proton Phần lớn các gốc aminoacid của phần dưới đơn vị này chứa các gốc kỵ nước, song có 38 gốc hydroxyaminoacid phân bố suốt bề dày của màng Những nhóm hydroxyl này tạo

ra một mạng lưới các liên kết hydro để tạo ra những đường kênh để proton được vận chuyển qua đó

Có giả thuyết cho rằng cơ chế khử O2 thành H2O bởi cytochrome oxydase xảy

ra như mô tả trong hình 7 Cytochrome a của phần dưới đơn vị II là chất nhận điện tử sơ cấp từ cytochrome c và nhanh chóng chuyển điện tử cho một trong hai nguyên tử Cu ký hiệu là Cu A Phần dưới đơn vị II nằm ở phía bề mặt tiếp xúc với bào tương, và nhóm heme A của nó định vị trong một kẽ hở kỵ nước Các điện tử từ phức hệ heme A - Cu A tiếp tục được vận chuyển cho cytochrome a3 của phần dưới đơn vị I vốn kết hợp với hai nguyên tử Cu khác, ký hiệu là Cu B, trong phần dưới đơn vị I Phần dưới đơn vị I cũng chứa một kẽ hở dành cho heme A nhưng nằm về phía bề mặt của màng tiếp xúc với matrix của ty thể Cytochrome a3 và Cu B của phần dưới đơn vị I trực tiếp tham gia phản ứng khử O2 thành H2O

Hoạt động của cytochrome a và a3 còn giúp tích lũy năng lượng giải phóng trong quá trình vận chuyển điện tử để tạo ra gradient proton giữa hai phía của màng trong của ty thể Gradient này cần để tổng hợp ATP trong quá trình phosphoryl hóa oxy-hóa Cơ chế của sự hình thành gradient proton chưa được hiểu rõ, song có nhiều cơ sở để phỏng đoán rằng nó xảy ra trên những nét khái quát như sau: Các phần dưới đơn vị I và II (tức cytochrome a và cytochrome a3) được bố trí trên màng trong của ty thể như mô tả trong hình 8 Khi một điện tử từ cytochrome c được cytochrome a tiếp nhận, pK của nhóm acid trong cytochrome a biến đổi, làm cho nó có thể tiếp nhận một proton từ matrix của ty thể Sự sắp xếp của các phần dưới đơn vị sau đó thay đổi như mô tả trong hình vẽ, và cytochrome a ở dạng khử chuyển điện tử cho cytochrome a3, dẫn đến một số biến đổi trong pK của nhóm acid và giải phóng proton của cytochrome a ra phía bào tương cùa màng Đây chỉ là một mô hình đơn giản của quá trình tạo ra gradient proton, trong đó chưa cho thấy vai trò của các phần dưới đơn vị khác, kể cả phần dưới đơn vị III vốn đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển proton Tuy nhiên, đây là một mô hình hữu ích để lý giải hoạt tính vận chuyển proton của cytochrome oxydase cũng như của các phức hệ khác của ty thể

Hình 7 Sơ đồ mô tả giả thuyết về cách tổ chức của các phần dưới đơn vị (pdđv) I và II của cytochrome oxydase trong màng trong của ty thể Có hai kẽ hở để heme A gắn vào đó: môt là nơi để cytochrome c tương tác với pdđv I (cytochrome a)

tương tác trực tiếp với O 2

3 Các phức hệ cytochrome b

Các cytochrome nhóm b là những protein vận chuyển điện tử mà nhóm hoạt động là heme liên kết với apoenzyme bằng các kiểu liên kết không đồng hóa trị Khoảng 80% cytochrome b nằm trong thành phần của phức hệ ubiquinone: cytochrome c reductase (phức hệ III) và khoảng 20% nằm trong phức hệ succinate: ubiquinone reductase (phức hệ II) Hoạt động của cytochrome b của phức hệ III gắn liền với quá trình phosphoryl hóa oxy-hóa

Chức năng của phức hệ III là tiếp nhận điện tử từ ubiquinone và chuyển nó cho cytochrome c với sự hình thành đồng thời gradient xuyên màng Quá trình này có lẻ xảy ra như mô tả trong hình 9 Nó cho thấy điện tử được vận chuyển theo một vòng kín giữa các thành phần của phức hệ bc1 và ubiquinone (Q) trong các phản ứng mà trong đó H+ được tiếp nhận từ matrix của ty thể để sau đó được giải phóng

ra phía bào tương Một điện tử từ ubiquinone reductase (phức hệ II) được chuyển cho Q, đồng thời tiếp nhận một H+ từ matrix của ty thể để tạo ra QHi, tức semiquinone của ubiquinone QHi, sau đó tiếp nhận thêm một điện tử từ cytochrome b và một proton từ matrix của ty thể để biến thành QH2 QH2 sau đó giải phóng một điện tử cho trung tâm Fe2S2 rồi từ đó cho c1 và chuyển một H+ ra bào tương Bản thân QH2 biến thành QHi để lại chuyển một điện tử nữa cho cytochrome b và giải phóng H+ thứ hai ra bào tương Dạng oxy-hóa của ubiquinone (Q) sau khi hình thành sẽ khép kín chu trình

Phức hệ II, tức phức hệ succinate: ubiquinone reductase, có chức năng vận chuyển điện tử từ succinate đến khu vực ubiquinone trên màng ty thể Nó chứa 4 phần dưới đơn vị polypeptide và ít nhất 3 trung tâm khử, phần dưới đơn vị 70.000 dalton là succinate dehydrogenase, chứa một FAD và hai trung tâm Fe2-S2 Phần dưới đơn vị 27.000 dalton chứa một trung tâm Fe4S4, còn hai phần dưới đơn vị thứ

ba và thứ tư (MW bằng 13.000 và 15.000) là apocytochrome b Cơ chế vận chuyển điện tử giữa các nhóm chức năng trong phức hệ chưa được rõ

PHÍA BÀO TƯƠNG

Hình 9 Sơ đồ giải thích giả thuyết về cơ chế hoạt động của phức hệ

Q - ubiquinone; deh - dehydrogenase; prot - protein; cyt - cytochrome; in - phía trong; out - phía ngoài

b5 là stearyl CoA desaturase, cũng là một loại oxydase gắn chặt với màng Reductase, cytochrome b5 và desaturase có thể tập hợp lại ở bề mặt phía ngoài của màng liposome và xúc tác quá trình biến hóa sau đây:

NAD.H+H+ FAD 2 cytochrome b5 2Fe3+ R-CH=CH-C-CoA + 2H2O (Fe2+) O

5 Cytochrome vi khuẩn và phosphoryl hóa oxy-hóa

Tế bào vi khuẩn không có các bào quan, kể cả ty thể Tuy nhiên, màng tế bào vi khuẩn chứa các enzyme dehydrogenase, cytochrome và các trung tâm chứa sắt - lưu huỳnh để thực hiện phosphoryl hóa oxy-hóa Trên cơ sở quang phổ hấp thụ người ta đã phát hiện trong tế bào vi khuẩn các cytochrome gống với cytochrome a,

b, c, song chúng có cấu trúc và các tính chất chức năng rất khác với những cytochrome này trong tế bào eucaryote Trong vi khuẩn quang hợp và cây xanh có nhiều cytochrome khác nhau tham gia trong quá trình vận chuyển điện tử

IV SUPEROXIDE DISMUTASE, CATALASE VÀ PEROXYDASE

1 Peroxide và superoxide

Khử O2 bằng cách đưa trực tiếp vào phân tử oxy một cặp điện tử là một quá trình xảy ra rất chậm, vì O2 chứa 2 điện tử không góp chung với trạng thái spin song song trong hai quĩ đạo riêng rẽ và phản ứng khử đòi hỏi phải đảo ngược một spin điện tử Khi O2 tồn tại cùng với chất hữu cơ, sự việc xảy ra hoàn toàn khác Sự hạn chế của spin trong việc khử O2 có thể được khắc phục bằng cách bổ sung thêm các điện tử đơn lẻ Như vậy, khử một phân tử O2 thành H2O cần phải sử dụng 4 điện tử:

O2 + 4H+ + 4e- –––→ 2H2O

Phản ứng dẫn đến sự hình thành các sản phẩm trung gian có khả năng phản ứng cao là các ion superoxide (O2-), peroxide hydro (H2O2) và gốc hydroxyl (OHi) Sự tồn tại liên tục của những chất này sẽ gây ra những nguy cơ nghiêm trọng cho các hệ thống sống do chúng sẽ phá hoại các thành phần của tế bào Trên thực tế,

OHi, một mutagene rất mạnh sinh ra do bức xạ ion-hóa, có khả năng phản ứng rất mạnh và có thể tấn công tất cả các hợp chất hữu cơ

Quá trình khử O2 bằng một điện tử bao gồm một chuỗi các phản ứng sau đây:

Như đã nói đến ở trên, hàng loạt enzyme sản sinh ra H2O2 và O2-, ví dụ hóa tự phát nguyên tử sắt trong các chất như hemoglobin, cytochrome b5, feredoxin khử và các chất vận chuyển điện tử hoặc các hệ thống khử khác Sự đe dọa do hoạt tính phản ứng rất cao của O2- và H2O2 được khắc phục nhờ các enzyme có khả năng biến đổi những chất này thành những chất có hoạt tính thấp hơn

oxy-2 Superoxide dismutase

Superoxide dismutase là nhóm enzyme phân hủy O2- bằng cách xúc tác phản ứng sau đây:

O2- + O2- + 2H+ ––––→ H2O2 + O2

Dismutase được tìm thấy trong các cơ thể hiếu khí và không có mặt trong các

vi sinh vật kỵ khí bắt buộc

Có 3 loại dismutase khác nhau Đó là: 1/ Dismutase bào tương của tế bào eucaryote, cấu tạo bởi hai phần dưới đơn vị, mỗi phần dưới đơn vị chứa một nguyên tử Cu và một nguyên tử Zn; 2/ Dismutase ty thể của eucaryote và trong bào tương của vi khuẩn, chứa hai nguyên tử Mn trong mỗi phân tử enzyme; 3/ Dismutase chứa sắt, có trật tự aminoacid rất giống với dismutase chứa aminoacid, tìm thấy trong vi khuẩn, tảo lục và một số thực vật

Hoạt tính xúc tác của dismutase phụ thuộc vào hàm lượng Cu, Mn và sắt Trong quá trình xúc tác các kim loại trải qua một vòng tròn các phản ứng oxy hóa - khử, với n bằng 2 đối với enzyme chứa Cu-Zn và bằng 3 đối với các enzyme chứa sắt và chứa mangan:

Enz-Men+ + O2- ––––→ Enz-Me (n-1)+ + O2

Enz-Me(n-1)+ + O2- + 2H+ ––––→ Enz-Men+ + H2O2

3 Catalase và peroxydase

Catalase có mặt hầu như trong mọi động vật, thực vật và vi khuẩn Nó có tác dụng ngăn ngừa sự tích lũy H2O2 bằng cách phân hủy chất này thành H2O và O2

cơ có các nhóm thế mạch béo ngắn làm cơ chất, ví dụ ethyl hydrogene peroxide và acid peracetic Bởi vì, về mặt sinh lý, các chất nhận khác có thể tồn tại với nồng độ cao, và nồng độ peroxide thấp, nên có thể nghĩ rằng catalase hầu như thay thế công việc của peroxydase trong các mô động vật

4 Oxygenase

Monooxygenase là những enzyme xúc tác các phản ứng sử dụng O2, trong đó một nguyên tử oxy được chuyển cho sản phẩm còn nguyên tử oxy thứ hai bị khử thành nước Dioxygenase cũng sử dụng O2, nhưng cả hai nguyên tử oxy đều được chuyển cho sản phẩm Cytochrome P450 mà ta đã xét đến ở trên là một loại monooxygenase Các mono- và dioxygenase khác cũng sử dụng các nhóm chức

năng khác nhau làm cofactor Monooxygenase đòi hỏi tiếp nhận 2 điện tử từ chất khử, trong khi đó dioxygenase không có đòi hỏi này

Dopamine-monooxygenase là một enzyme chứa Cu2+ có mặt trong não và phần lõi thượng thận, xúc tác phản ứng tổng hợp norepinephrine từ dopamine (3,4-dihydro-phenylethylamine) Quá trình xảy ra như sau:

Sơ đồ phản ứng cho thấy oxy được hoạt hóa bởi phức hệ enzyme-Cu+ để sau đó một nguyên tử oxy được chuyển cho dopamine để tạo ra sản phẩm, còn nguyên tử oxy thứ hai bị khử thành nước Để khử phức hệ enzyme-Cu2+ không hoạt động thành dạng enzyme-Cu+ hoạt động, cần có sự tham gia của acid ascorbic:

Cofactor của monooxygenase rất đa dạng Ví dụ, vi khuẩn có nhiều loại enzyme flavin mà hoạt động của chúng cần NAD.H hoặc NADP.H làm chất khử; Một nhóm nhỏ monooxygenase động vật sử dụng tetrahydrobiopterin làm cofactor để xúc tác phản ứng chuyển hóa phenylalanine thành tyrosine

Một kiểu monooxygenase khác sử dụng α-cetoglutarate làm cơ chất và xúc tác các phản ứng có dạng tổng quát như sau:

A + O2 + α-Cetoglutarate ⎯→ A-OH + Succinate + CO2

Loại monooxygenase này sử dụng sắt làm cofactor và xúc tác các quá trình tổng hợp 5-hydroxylysine, 3- và 4-hydroxyproline và carnitine Chúng cũng cần acid ascorbic để khử phức hệ enzyme-Fe3+ không hoạt động thành dạng enzyme-

Fe2+ hoạt động

Dioxygenase cũng sử dụng một số nhóm chức năng làm cofactor Ví dụ, tryptophan-2,3-dioxygenase sử dụng nhóm heme để phá vỡ vòng indol của tryptophan

5 Hydroxylase chứa molybden

Thuộc nhóm này có 3 enzyme động vật là sulfite oxydase, xanthine oxydase và aldehyde oxydase Tính chất đặc biệt của chúng là sử dụng molybden cùng với các cofactor khác Chúng không hoàn toàn là oxydase như tên gọi, nhưng xúc tác các phản ứng có dạng tổng quát sau đây:

A + H2O ––––→ A-OH + H+ + 2e-

Các điện tử bắt nguồn từ phản ứng oxy-hóa cơ chất được chuyển cho các chất nhận khác nhau, như O2, NAD và cytochrome c, phụ thuộc vào tính đặc hiệu và sự định vị của enzyme trong tế bào

Sulfite sản sinh trong quá trình dị hóa các aminoacid chứa lưu huỳnh và được sulfite oxydase của ty thể biến thành sulfate, dạng lưu huỳnh chủ yếu của nước tiểu, trong phản ứng sau đây:

SO32-+ H2O + 2 Cytochrome c-Fe3+ → SO42-+ 2H+ + 2 Cytochrome c-Fe2+

Sulfite oxydase của gan chuột (MW=120.000) được cấu tạo từ hai phần dưới đơn vị giống nhau, mỗi phần dưới đơn vị chứa heme liên kết không đồng hóa trị và molybdopterin với cấu trúc như sau:

Thiếu sulfite oxydase sẽ làm chậm sự phát triển trí tuệ và làm nẩy sinh nhiều vấn đề liên quan với hoạt động của hệ thần kinh

Molybdopterin

Xanthine và aldehyde oxydase, có mặt trong gan và một số mô khác, cũng chứa molybden, nhưng ngoài ra còn chứa các cofactor flavin và các trung tâm chứa sắt và lưu hùynh Các enzyme tự nhiên có kích thước như nhau và được cấu tạo từ hai phần dưới đơn vị giống nhau; mỗi phần dưới đơn vị chứa một FAD và một phân tử molybdopterin liên kết không đồng hóa trị với các trung tâm Fe2S2 Hơn nữa, cả hai đều xúc tác các phản ứng rất giống nhau với dạng tổng quát sau đây:

AH + H2O + X ––––→ AOH + XH2

AH là cơ chất khử, cung cấp một cặp điện tử cho enzyme Những điện tử này sau đó được tiếp nhận bởi X, tức cơ chất thứ hai (có thể là NAD+ hoặc O2) Như vậy, enzyme thể hiện hoạt tính của cả dehydrogenase và oxydase AH có thể là cùng một cơ chất, ví dụ các purine và pyrimidine, mặc dù tốc độ sử dụng có thể khác nhau ở hai enzyme Hai enzyme này có thể phân biệt nhau ở chỗ xanthine chỉ là cơ chất của xanthine oxydase mà không thể là cơ chất của aldehyde oxydase, và 6-methylpurine chỉ là cơ chất của aldehyde oxydase chứ không thể là cơ chất của xanthine oxydase Xanthine oxydase oxy-hóa xanthine thành acid uric, còn aldehyde oxydase oxy-hóa 6-methylpurine thành 6-methylhypoxanthine

CHƯƠNG 4 TRAO ĐỔI CARBOHYDRATE TRONG QUÁ

TRÌNH HÔ HẤP

Glucid là những thành phần cấu tạo đầu tiên của tế bào được tạo ra bởi các

cơ thể quang hợp từ CO2 và H2O nhờ năng lượng ánh sáng Quá trình trao đổi glucid xảy ra sau đó trong những cơ thể này dẫn đến sự hình thành hàng loạt các hợp chất hữu cơ khác nhau mà rất nhiều trong số chúng được cơ thể động vật dùng làm thức ăn Động vật tiếp nhận một số lượng lớn glucid để dùng làm chất dinh dưỡng dự trữ, hoặc oxy-hóa và thu nhận năng lượng ở dạng ATP, hoặc chuyển hóa thành lipid với mục đích tích lũy được nhiều năng lượng hơn, hoặc tổng hợp hàng loạt các thành phần cấu tạo của tế bào Chỉ có một phần nhỏ glucid thực vật là có ích cho dinh dưỡng của con người, bởi vì trong bộ máy tiêu hóa của con người không có những enzyme cần thiết để phân hủy cellulose và một số polyssaccharide thực vật thành monosaccharide Những glucid chủ yếu có giá trị dinh dưỡng đối với con người là tinh bột, glycogen, các disaccharide như saccharose, lactose và maltose Trong chương này chúng ta sẽ xem xét bằng cách nào các loại đường, mà chủ yếu là glucose, được hấp thụ, vận chuyển vào tế bào và sau đó được sử dụng để sản sinh năng lượng và tạo ra hàng loạt các hợp chất hữu cơ cần thiết cho sinh trưởng và phát triển của cơ thể sống

I SỰ TIẾP NHẬN VÀ HÌNH THÀNH GLUCOSE TRONG TẾ BÀO

Bước đầu tiên của trao đổi glucose là biến nó thành glucoso-6-phosphate sau khi nó đi vào tế bào Glucoso-6-phosphate là một ngã tư quan trọng của trao đổi glucose vì nó tham gia vào một số con đường trao đổi tiếp theo: 1/ tổng hợp và phân hủy glycogen, 2/ sản sinh lactate và ATP (glycolys), 3/ gluconeogenes, và 4/ tổng hợp pentose và các hexose khác Thủy phân glucoso-6-phosphate thành glucose và Pi cũng là một hướng chuyển hóa của glucoso-6-phosphate xảy ra trong gan, thận và đường ruột và là biện pháp chủ yếu để duy trì hàm lượng bình thường của glucose trong máu Vì vậy, trước hết cần phải xem xét cơ chế vận chuyển glucose vào tế bào, các enzyme xúc tác các quá trình hình thành và thủy phân glucoso-6-phosphate và các cơ chế điều hòa các quá trình này

1 Sự thâm nhập của glucose vào tế bào

trong khi đó nồng độ glucose trong máu là vào khoảng 5mM, tức khoảng 90mg trong một dl máu Vì vậy sự thâm nhập glucose vào tế bào xảy ra theo chiều gradient nồng độ Tuy nhiên nó không xảy ra bằng cách khuếch tán đơn giản và thụ động mà cần có một hệ thống vận chuyển đặc hiệu Có hai kiểu hệ thống vận chuyển chủ yếu được ghi nhận: phụ thuộc và không phụ thuộc insulin

Các hệ thống vận chuyển không phụ thuộc insulin được tìm thấy trong tế bào

gan (hepatocyte), tế bào hồng cầu (erythrocyte) và não Trong hepatocyte tốc độ tiếp nhận D-glucose bị ức chế bởi florizin, một glycoside của một độc tố polyphenol thực vật, và cytochalasin B Galactose và fructose cũng được tiếp nhận bởi hệ thống này với tốc độ thấp hơn so với glucose Sự tiếp nhận glucose trong erythrocyte cũng bị phlorizin ức chế nhưng không có quan hệ với lisulin Người ta cho rằng chất vận chuyển glucose trong erythrocyte là một protein (MW=200.000) cấu tạo từ 4 phần dưới đơn vị có kích thước như nhau Cơ chế vận chuyển hexose trong hepatocyte cũng rất giống với cơ chế trong erythrocyte

Các hệ thống vận chuyển phụ thuộc insulin: Tế bào cơ và tế bào tạo mỡ

(adipocyte) có các hệ thống vận chuyển glucose phụ thuộc insulin Các nghiên cứu với adipocyte cho thấy insulin làm tăng Vmax nhưng không làm thay đổi hằng số cân bằng của phản ứng vận chuyển glucose Hơn nữa, nếu gắn insulin với receptor của glucose trên màng tế bào chất, quá trình vận chuyển glucose sẽ bị ảnh hưởng theo hai cách khác nhau: 1/ chuyển các protein vận chuyển glucose từ màng microsome nội bào đến màng tế bào chất và bằng cách đó làm tăng số lượng protein vận chuyển glucose trên màng tế bào chất; và 2/ sau khi di chuyển, hoạt tính của protein vận chuyển tăng lên khoảng hai lần so với trường hợp không xử lý insulin

Tế bào vi khuẩn cũng có một số hệ thống vận chuyển glucose thuộc cả hai loại: cần cung cấp năng lượng và không cần cung cấp năng lượng Loại hệ thống cần cung cấp năng lượng được tìm thấy trong Escherichia coli, Salmonella typhimurium và Staphylococcus aureus, và sử dụng phosphoenolpyruvate làm nguồn năng lượng với sự tham gia của ba loại protein khác nhau Ở bước thứ nhất của quá trình này do enzyme I xúc tác phospho-enolpyruvate phản ứng với một protein trong bào tương (MW=9.400) có tên là HPr để tạo ra phospho-HPr:

Bằng cách này glucose ngoại bào trở thành glucoso-6-phosphate nội bào

2 Phosphoryl-hóa glucose Hexokinase và glucokinase

Mọi tế bào cần trao đổi glucose đều chứa các enzyme kinase để xúc tác phản ứng phosphoryl hóa glucose thành glucoso-6-phosphate với sự tham gia của ATP

Có hai loại kinase tham gia trong quá trình này là hexokinase và glucokinase

nhau Phức hệ Mg2+-ATP được sử dụng như một cơ chất và phản ứng không có tính thuận ngịch, với ∆Go'= -5Kcal/mol, do mức năng lượng của glucoso-6-phosphate thấp hơn và trạng thái của phức hệ Mg2+-ADP ổn định hơn so với phức hệ Mg2+-ATP

Hexokinase được tìm thấy trong tất cả các mô và tồn tại ở 3 dạng isoenzyme I, II và III Trong não chủ yếu chứa dạng I, còn trong cơ vân chủ yếu chứa dạng II, nhưng trong tất cả các mô, trừ gan, đều có mặt cả 3 dạng với số lượng khác nhau Tính chất động học của 3 dạng rất giống nhau, có gía trị Km thấp đối với glucose (từ 8 đến 30 micromol) Mỗi dạng đều có thể sử dụng các monosaccharide khác làm cơ chất để tạo ra các 6-phosphate tương ứng Glucoso-6-phosphate là chất ức chế đối với cả 3 dạng và tác dụng ức chế thể hiện khi chất này gắn với một trung tâm không phải là trung tâm hoạt động Dạng hexokinase II chủ yếu có mặt trong bào tương, trong khi dạng I vừa nằm trong bào tương vừa gắn với ty thể

Khác với các dạng hexokinase của động vật có vú chỉ chứa một phần dưới đơn vị với MW-100.000, hexokinase nấm men chứa hai phần dưới đơn vị giống nhau (MW=50.000), và hoạt tính của nó không chịu ảnh hưởng của glucoso-6- phosphate

Glucokinase, thường được gọi là hexokinase IV, là một protein monomer (MW=48.000), hầu như chỉ có mặt trong gan Chỉ có glucose và mannose là cơ chất tự nhiên của nó và giá trị Km tương ứng đối với hai cơ chất này là 12 và 33 mM Cùng với gía trị Km khá cao đối với glucose, glucokinase còn khác hexokinase ở chỗ hoạt tính của nó không bị glucoso-6-phosphate ức chế Các tính chất này thể hiện qua sự khác nhau giữa vận chuyển glucose vào gan và vào các mô khác Mặc dù quá trình trao đổi bình thường của glucose trong gan chịu ảnh hưởng của insulin, gan không đòi hỏi insulin để tiếp nhận glucose Tế bào gan dễ dàng cho phép glucose di chuyển ra vào Hơn nữa, khác với các mô như cơ và mô mỡ, trong đó sự tiếp nhận glucose phụ thuộc insulin, glucose chỉ được gan tiếp nhận trong điều kiện đường huyết cao Như vậy, glucokinase có vai trò như một cái bẫy đối với lượng glucose-huyết dư thừa trong gan, không chịu sự chi phối của nồng độ glucoso-6-phosphate, và bằng cách đó cho phép tích lũy glucose ở dạng glycogen hoặc acid béo sau khi nó được tiếp tục chuyển hóa Rõ ràng là tính chất của enzyme hoàn toàn thích nghi với vai trò của nó trong trao đổi chất tế bào

Hàm lượng glucokinase trong gan phụ thuộc tuổi, chế độ ăn uống và trạng thái hormone của cơ thể động vật Trong gan của bào thai chỉ chứa hexokinase; hàm lượng của nó giảm xuống sau khi sinh cùng với sự xuất hiện glucokinase Điều này có thể liên quan với đời sống của bào thai mà trong đó glucose được cung cấp qua nhau Hàm lượng glucokinase cũng rất phụ thuộc vào việc sử dụng glucid trong chế độ ăn uống: cung cấp glucose cho động vật là một yếu tố kích thích tổng hợp glucokinase Nguyên nhân của bệnh tiểu đường cũng có thể là do insulin ảnh hưởng đến việc tổng hợp protein enzyme Một số hormone khác cũng có tác dụng điều hòa mức độ glucokinase: epinephrine và glucagon ức chế sự khôi phục glucokinase trong các động vật nhịn đói sau khi phục hồi cung cấp glucose, trong khi đó các hormone corticoid của tuyến vỏ thượng thận giúp nhanh chóng khôi phục việc tổng hợp glucokinase của gan khi tiếp tục cung cấp thức ăn

3 Dephosphryl-hóa glucose Glucoso-6-phosphatase

Glucoso-6-phosphate có tác dụng góp phần duy trì nồng độ glucose trong máu khi nó bị thủy phân thành glucose và phosphate vô cơ Enzyme glucoso-6- phosphatase : xúc tác phản ứng

di chuyển từ khoang của mạng nội chất ra phía bào tương một cách dễ dàng Trong chuỗi phản ứng có sự tham gia của carbamoyl-phosphate (CP)

Hình10 Sơ đồ cấu tạo của hệ thống glucoso-6-phosphatase

II GLYCOLYS

Nghiên cứu quá trình dị hóa trong tế bào, theo truyền thống, thường được bắt đầu bằng việc tìm hiểu các quá trình lên men, hay hô hấp trong điều kiện kỵ khí, mà cơ sở của nó là quá trình glycolys , trong đó bao gồm một trật tự các phản ứng phân giải glucose thành acid pyruvic Truyền thống này có ba lý do: Thứ nhất là cơ thể sống có lẻ xuất hiện trên Trái đất vào lúc mà bầu khí quyển không có oxy, nên hô hấp kỵ khí được xem là dạng đơn giản nhất của cơ chế sinh học cho phép thu nhận năng lượng từ các chất dinh dưỡng Thứ hai là đa số những cơ thể hiếu khí tồn tại ngày nay đều còn giữ được khả năng tích lũy năng lượng lấy từ glucose bằng phương pháp đơn giản này với tư cách là giai đoạn chuẩn bị để oxy-hóa tiếp tục các sản phẩm hình thành trong giai đoạn này trong điều kiện có oxy Thứ ba là các giai đoạn phản ứng enzyme của quá trình phân hủy glucose trong điều kiện kỵ

Với những lý do đó glycolys có thể là một mô hình quan trọng để nghiên cứu các quá trình phức tạp hơn

1 Glycolys là cơ sở của các quá trình lên men

Tất cả các cơ thể dị dưỡng đều thu nhận năng lượng từ các phản ứng oxy-hóa khử Trong quá trình lên men (hô hấp kỵ khí) vai trò của chất nhận điện tử cuối cùng được thực hiện bởi một phân tử hữu cơ nào đó hình thành trong quá trình lên men Như vậy, lên men là một quá trình oxy-hóa khử nội bộ Mức độ oxy-hóa tổng quát của sản phẩm oxy-hóa trong quá trình này không khác với mức độ oxy-hóa của các chất bị lên men

Trong số nhiều kiểu lên men mà cơ chất là glucose, quan trọng nhất là hai kiểu lên men có quan hệ chặt chẽ với nhau sau đây:

- Lên men lactic dẫn đến sự hình thành hai phân tử acid lactic từ một phân tử glucose Kiểu lên men này đặc trưng cho nhiều vi sinh vật và tế bào của động vật bậc cao, kể cả động vật có vú

- Lên men rượu dẫn đến sự hình thành hai phân tử ethanol và hai phân tử CO2 từ một phân tử glucose

Cả hai kiểu lên men này đều xảy ra với sự xúc tác của hệ enzyme glycolys Sự khác nhau giữa chúng chỉ thể hiện ở giai đoạn cuối cùng, sau khi hình thành acid pyruvic Trong lên men lactic acid pyruvic bị khử thành acid lactic, còn trong lên men rượu phản ứng này được thay bằng hai phản ứng khác để dẫn đến sự hình thành ethanol và CO2

Mặc dù trong cả hai quá trình lên men này đều không có sự tham gia của oxy phân tử, song trong chúng đều xảy ra các phản ứng oxy-hóa khử Chính vì vậy mà trong hai sản phẩm của quá trình lên men rượu CO2 là chất có mức độ oxy-hóa cao hơn, còn ethanol - có mức độ khử cao hơn; hoặc trong acid pyruvic - sản phẩm cuối cùng duy nhất của quá trình lên men lactic, một đầu mức độ khử cao, còn đầu kia có mức độ oxy-hóa cao Trong khi đó ở hợp chất ban đầu (glucose) các nguyên tử hydro được phân bố đều đặn hơn

Đặc điểm quan trọng thứ hai của hai quá trình lên men này, hay nói chung, của glycolys là chúng kèm theo tổng hợp ATP từ ADP và phosphate vô cơ Nếu không có các phản ứng phosphoryl-hóa ADP đồng thời này thì glycolys và lên men nói chung không thể xảy ra

Phương trình tổng quát của lên men lactic và lên men rượu có thể viết dưới dạng sau:

- Lên men lactic:

C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi –––> 2 CH3 -CHOH-COOH + 2 ATP + 2H2O

- Lên men rượu:

C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi ––––> 2 CH3 -CH2OH + 2 CO2 + 2 ATP + 2H2O Để phân tích sự biến thiên năng lượng của glycolys, ta tách quá trình tổng quát trên đây thành hai bộ phận: chuyển hóa glucose thành acid lactic (quá trình giải phóng năng lượng) và tổng hợp ATP từ ADP và Pi (quá trình hấp thu năng lượng):

Glucose ––––> 2 Lactate, ∆Go'1 = -47,0 Kcal/mol

2 ADP + 2 Pi ––––> 2 ATP ∆Go'2 = 2 x 7,3 = 14,6 Kcal/mol

Từ đó biến thiên năng lượng tự do tổng số của glycolys là

∆Go' S = ∆Go'1 + ∆Go'2 = -47,0 + 14,6 = -32,4 Kcal/mol Từ các số liệu này có thể thấy rằng sự phân giải glucose thành acid lactic kèm theo giải phóng một số năng lượng thừa để phosphoryl-hóa ADP thành ATP Có thể tính được một cách dễ dàng rằng trong hai phân tử ATP này tích lũy được 14,6 x 100/47,0 = 31% năng lượng tự do giải phóng khi phân giải glucose thành acid lactic Con số này thu được với nồng độ 1,0M Nếu lưu ý đến nồng độ thực của các chất tham gia phản ứng và sản phẩm của phản ứng trong tế bào, thì hiệu suất của glycolys còn có thể lớn hơn Nếu trừ đi số năng lượng đã tích lũy trong hai phân tử ATP, năng lượng tự do của glycolys vẫn còn giảm 32,4 Kcal Điều này cho thấy tại sao trên thực tế là quá trình không thuận nghịch, mà trạng thái cân bằng lệch hẵn về phía hình thành acid lactic Tuy nhiên, đa số giai đoạn của quá trình này đều có giá trị biến thiên năng lượng tự do không lớn, và do đó chúng là những phản ứng thuận nghịch Chiều ngược của những phản ứng này được tế bào sử dụng trong việc tổng hợp lại glucose từ acid lactic

2 Các phản ứng của glycolys

Tập hợp các phản ứng kế tiếp nhau của glycolys được xem là giai đoạn đầu tiên trong số 5 giai đoạn của quá trình hô hấp hiếu khí Toàn bộ quá trình glycolys xảy ra trong bào tương và có thể chia làm hai giai đoạn như mô tả trong hình 11

Ở giai đoạn 1 glucose được phosphoryl-hóavà sau đó bị phân giải thành hai phân tử glyceraldehyde-3-phosphate Ở giai đoạn 2 glyceraldehyde-3-phosphate chuyển hóa thành acid pyruvic Nếu quá trình xảy ra trong điều kiện kỵ khí thì, như

ta đã biết, acid pyruvic tiếp tục chuyển hóa thành acid lactic hoặc ethanol Giai đoạn thứ nhất được xem như giai đoạn chuẩn bị Ở giai đoạn này mọi hexose đều được lôi cuốn vào quá trình glycolys bằng cách được phosphoryl-hóa nhờ ATP để sau đó tạo ra sản phẩm chung là glyceraldehyde-3-phosphate Giai đoạn thứ hai bao gồm các phản ứng oxy-hóa - khử và cơ chế tích lũy năng lượng, trong đó ADP được phosphoryl-hóa thành ATP

Toàn bộ quá trình glycolys bao gồm ba kiểu phản ứng hóa học mà các con đường của chúng liên quan mật thiết với nhau:

Glucose Glycogen, tinh bột ATP Pvc

Glucoso-1-phosphate

ADP

Tích lũy các dạng Glucoso-6-phosphate

đường đơn giản và

chuyển hóa chu Fructoso-6-phosphate

Hình 11: Sơ đồ tổng quát của quá trình glycolys

* Các phản ứng của giai đoạn I

1/ Phản ứng phân giải bộ khung carbon của glucose thành acid pyruvic (con đường của các nguyên tử carbon);

2/ Phản ứng mà trong đó phosphate vô cơ trở thành nhóm phosphate tận cùng của phân tử ATP (con đường của các nhóm phosphate);

3/ Phản ứng oxy-hóa - khử (con đường vận chuyển điện tử)

* Các phản ứng của giai đoạn I

Xúc tác phản ứng là các enzyme hexokinase và glucokinase mà chúng ta đã được làm quen trong mục trước Do năng lượng tự do giảm đáng kể, nên phản ứng chỉ xảy ra theo chiều thuận Quá trình ngược lại được xúc tác bởi một enzyme khác - α-D-glucoso-6-phosphatase:

3/ Phosphoryl-hóa fructoso-6-phosphate thành fructoso-1,6-diphosphate

105

Phosphoryl-hóa fructoso-6-phosphate là giai đoạn rất quan trọng, vì sự điều hòa quá trình glycolys được thực hiện thông qua điều hòa hoạt tính của enzyme phospho-fructokinase xúc tác phản ứng này Hoạt tính của nó bị ức chế bởi ATP và citrate (ở nồng độ cao) và được kích thích bởi ADP và AMP

Giá trị âm cao của ∆Go' cho thấy phản ứng trong tế bào không thể xảy ra theo chiều ngược Phản ứng ngược được xúc tác bởi một enzyme khác Đó là diphospho-fructosophosphatase:

5/ Phản ứng chuyển hóa tương hỗ giữa các dạng triosophosphate:

Dioxyacetonephosphate ––> Glyceraldehyde-3-phosphate

∆Go' = +1,83 Kcal/mol

Phản ứng do enzyme triosophosphate isomerase xúc tác Nó cần thiết cho glycolys vì trong hai loại triosophosphate xuất hiện khi phân giải fructoso-1,6-diphosphate chỉ có D-glyceraldehyde-3-phosphate có thể chuyển hóa tiếp tục Phản ứng này kết thúc giai đoạn I của glycolys ∆Go' của hai phản ứng sau cùng cộng lại có giá trị khoảng +7,5Kcal/mol Nếu cộng ∆Go' của cả 5 phản ứng của giai đoạn chuẩn bị trên đây, ta có giá trị +0,5Kcal/mol Để glycolys có thể tiếp tục xảy ra, các phản ứng kế tiếp phải là những phản ứng giải phóng nhiều năng lượng tự do để tạo ra một sức kéo nhiệt động học

* Các phản ứng của giai đoạn II

6/ Phản ứng oxy-hóa glyceraldehyde-3-phosphate thành acid diphosphoglyceric

1,3-Đây là một trong những giai đoạn quan trọng nhất của glycolys, vì năng lượng giải phóng khi oxy-hóa aldehyde 3-phosphoglyceric được giữ lại ở dạng sản phẩm cao năng 1,3-diphosphoglycerate Việc phát hiện cơ chế này do Warburg thực hiện trong những năm 1937-1938 được xem là một trong những phát minh quan trọng nhất của sinh học hiện đại Lần đầu tiên trong lịch sử sinh hóa đã phát hiện được cơ chế của các phản ứng enzyme cho phép năng lượng giải phóng trong phản ứng oxy hóa các phân tử hữu cơ có thể được tích lũy lại trong các phân tử ATP Toàn bộ quá trình này được xúc tác bởi enzyme glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase Đây là một enzyme có cấu trúc phức tạp Enzyme thu nhận được từ nấm men có trọng lượng phân tử 140.000 và được cấu tạo từ 4 phần dưới đơn vị giống nhau, mỗi phần dưới đơn vị là một chuỗi polypeptide chứa khoảng 330 gốc aminoacid Phương trình tổng quát của phản ứng có thể viết dưới dạng sau đây:

2 -Glyceraldehyde-3-phosphate + 2NAD+ + 2Pi ––>

––> 2(1,3-diphosphoglycerate) + 2NAD.H + 2H+

∆Go' = 2 x 1,5Kcal/mol + 3,0 Kcal Trong phản ứng này chức aldehyde của glyceraldehyde-3-phosphate bị oxy-hóa thành chức carboxyl Tuy nhiên, thay cho acid 3-phosphoglyceric đã hình thành acid 1,3-diphosphoglyceric, mà như ta đã biết, có giá trị âm của ∆Go' còn cao