Bài giảng hóa sinh đại cương chương 9 ths phạm hồng hiếu

DEHYDROGENASE Coenzyme Nicotinamide: – NAD: Các con đường chuyển hoá oxi hoá: đường phân, chu trình acid citric, chuỗi hô hấp ty thể – NADP: Các quá trình tổng hợp khử: tổng hợp steroid

ThS Phạm Hồng Hiếu Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9 1

Chương 9: TRAO ĐỔI CHẤT VÀ TRAO

ĐỔI NĂNG LƯỢNG

I Giới thiệu về trao đổi chất

II Các quá trình diễn ra trong TĐC và

 Enthalpy (H): nội năng, năng lượng toàn phần

 Năng lượng tự do (G): năng lượng có khả năng

biến thành công có ích  G<H

 Entropy (S): trạng thái nội tại của phân tử

–Tăng khi độ vô trật tự tăng (hệ kín)

–Trong điều kiện tự nhiên entropy chỉ có thể

tăng (VD: nhúng dung dịch NaCl trong túi bán

thấm vào cốc nước  phân tử muối chạy ra

khỏi túi)

NĂNG LƯỢNG TỰ DO

 G = H – TS

• H tăngG tăng; S tăngG giảm

• H – G = TS: thay đổi theo nhiệt độ, phụ

thuộc S

 G = H – TS

• G: biến thiên NLTD (Kcal)

• H: biến thiên enthalpy (Kcal)

• T: nhiệt độ tuyệt đối

• S: biến thiên entropy (Kcal.độ-1)

BIẾN THIÊN NĂNG LƯỢNG TỰ DO

Phản ứng A  B

G=GB - GA

• G < 0: Phản ứng phát năng

oCó thể xảy ra tự phát (S tăng, G giảm)

oĐôi khi cần năng lượng hoạt hoá để xảy

G = Go + RTln([B]/[A])

 Go: biến thiên năng lượng tự do chuẩn: 25oC,

pH = 0, [A]=[B]=1 mol/l

 G phụ thuộc bản chất , điều kiện, tỉ lệ nồng độ

các chất tham gia, sản phẩm phản ứng; không

phụ thuộc con đường chuyển hoá

 Biến thiên NLTD chuẩn ở điều kiện sinh học

Go’: pH=7, 25oC

 G’ = Go’ + RTln([B]/[A])

BIẾN THIÊN NĂNG LƯỢNG TỰ DO

BIẾN THIÊN NLTD & K

G’ = Go’ + RTln([B]/[A])Phản ứng đạt trạng thái cân bằng: G’=0

BIẾN THIÊN NLTD & K

K’=10-Go’/1,36

 K’=1: Go’=0: không xảy ra trong điều kiện sinh

học

 K’>1: Go’<0: phản ứng phát năng

BIẾN THIÊN NLTD & K

Phản ứng oxy hoá glucose:

C6H12O6+ 6O2 = 6CO2 + 6H2O

Go’=-686 Kcal/mol

Thực tế glucose có thể tồn tại ngoài khí trời

trong nhiều tháng vẫn không có hiện tượng gì

xảy ra

 G, G’ không cho ý niệm về vận tốc phản ứng,

mà chỉ cho biết chiều phản ứng nếu xảy ra

OXY HOÁ – KHỬ SINH HỌC

PHẢN ỨNG OXY HOÁ – KHỬ

Chất -e- khử +e- oxy hóa

Phản ứng

-e- oxy hóa

+e- khử

Cặp, hệ thống oxy hóa khử (oxh/kh)

VD: Fe+3/Fe+2, H+/H, O/O-2,

R-COOH/R-CHO… (ferri-/ferro-)

THẾ NĂNG OXI HOÁ – KHỬ

Phương trình Nernst:

] [

] [

E

n: số điện tử được vận chuyển

F: hằng số Faraday = 23 Kcal/V.mol = 96500 C/mol

THẾ NĂNG OXY HOÁ – KHỬ

Trong điều kiện sinh học (pH=7, 25o C):

] [

] [

0 ' 0 , 06 log

Eo là E khi: [ oxh  ] [ kh ]

Chiều vận chuyển của điện tử

e-Điện tử di chuyển:

- Từ chất khử sang chất oxy hoá (trong cùng

hệ thống oxy hóa-khử)

- Hệ thống có thế năng oxy hoá khử thấp

sang hệ thống có thế năng oxy hoá – khử

cao (giữa 2 hệ thống oxy hóa-khử)

Xét 2 hệ thống oxh-kh:

A/AH2 và B/BH2Nếu EA < EB thì: e- sẽ di chuyển từ hệ thống

A qua B (từ chất khử AH2 qua chất oxy hóa

B)

AH2 + B  BH2 + A Nếu vì lý do nào đó BH2 bị tồn đọng thì phản

ứng có thể đạt trạng thái cân bằng hoặc

thậm chí theo chiều nghịch

Chiều vận chuyển của điện tử

VD:

Xét 2 hệ thống:

NAD+/NADH,H+ và FAD/FADH2

E0(A) = -0.32V; E0(B) = -0.06VVậy trong điều kiện chuẩn (và thực tế trong điều kiện

sinh lý của tế bào) e- đi từ NADH,H+ qua FAD

NADH,H+

FADH2NAD+

FAD

2e

-FADH FAD

NAD +

NADH,H + 2e Hoặc

-Liên hệ giữa ∆G0’ và ∆E0’

Trong phản ứng oxh-kh, e- vận chuyển với ∆E > 0

do đó ∆G < 0, nên phản ứng luôn luôn kèm sự phát

năng

Năng lượng đó một phần sẽ được sử dụng ngay

(tạo thân nhiệt, công cơ học, tổng hợp chất…), phần

còn lại được tích trữ lại trong các liên kết giàu năng

lượng (~) nhờ các phản ứng phosphoryl hóa

' 0

Dùng oxy để gắn hydrogen, từ đó tách

hydrogen ra khỏi cơ chất Tạo sản phẩm là

H20 hoặc H2O2

Oxydase chứa đồng: cytochrome oxydase

Oxydase chứa flavoprotein (FMN, FAD):

L-amino acid oxydase, xanthine oxydase,

glucose oxydase (nấm)

DEHYDROGENASE

 Chuyển H từ cơ chất này sang cơ chất khác

trong cặp phản ứng oxy hoá khử Không cần

oxy (ví dụ: pha yếm khí của đường phân)

 Thành phần của chuỗi hô hấp tế bào: các

cytochrome (trừ cytochrome oxidase) cũng

được xem là dehydrogenase

DEHYDROGENASE (Coenzyme)

 Nicotinamide:

– NAD: Các con đường chuyển hoá oxi hoá:

đường phân, chu trình acid citric, chuỗi hô

hấp ty thể

– NADP: Các quá trình tổng hợp khử: tổng hợp

steroid và acid béo ngoài ty thể

 Riboflavin: vận chuyển electron trong hoặc đến

chuỗi hô hấp tế bào

HYDROPEROXIDASE

 Bảo vệ cơ thể khỏi peroxyde có hại

 2 loại:

– Peroxydase: khử hydrogen peroxide dùng

nhiều chất nhận điện tử khác nhau

(ascorbate, quinone, cytochrome C)

– Catalase: dùng hydrogen peroxide làm chất

nhận và cho điện tử (một chất nhận, một chất

cho) Có vai trò phá huỷ H2O2 tạo thành từ

phản ứng của oxydase

ThS Phạm Hồng Hiếu Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9 25

OXIGENASE

 Thường tham gia phản ứng tổng hợp hay thoái

hoá các chất hơn là tham gia cung cấp năng

lượng cho tế bào

 Xúc tác gắn oxy vào cơ chất

 2 nhóm:

– Dioxygenase (oxygenase thực, oxygen

transferase): gắn 2 nguyên tử oxy vào cơ chất

– Mono-oxygenase (oxydase chức năng hỗn hợp,

hydroxylase): chỉ gắn 1 nguyên tử oxy vào cơ

chất (tạo nhóm –OH), nguyên tử O kia tạo

nước, và cần một chất cho điện tử

• Hệ thống cytochrome P-450 monooxydase vi

thể: hydroxyl hoá nhiều loại thuốc

• Hệ thống cytochrome P-450 monooxydase ti

thể: hydroxyl hoá các steroid

SUPEROXIDE DISMUTASE

O2 + O2 + 2H + H2O2 + O2

Superoxide dimutase

- Trong phản ứng này, superoxyde vừa là chất khử, vừa là chất

oxy hoá.

- Superoxide dismutase (SOD) bảo vệ cơ thể sinh vật hiếu khí

chống lại tác hại của superoxide.

- SOD có ở các khoang khác nhau trong tế bào: trong bào tương

chứa Cu 2+ hoặc Zn 2+ ; trong ti thể chứa Mn 2+  giống trong vi

khuẩn  hỗ trợ giả thuyết ti thể là prokaryote cộng sinh với

protoeukaryote.

PHOSPHORYL HOÁ KHỬ PHOSPHORYL HOÁ

ATP

ADP

Hexokinase Glucokinase

PHẢN ỨNG PHOSPHORYL HOÁ

Phosphoryl hóa Khử phosphoryl

Tạo liên kết phosphate Cắt đứt liên kết phosphate

Thu năng (tích trữ năng

lựơng) Do enzyme xúc tác

với cơ chất là P vô cơ

hoặc P hữu cơ

Tạo P vô cơ tự do haychuyển gốc phosphate từchất hữu cơ phosphate sangchất khác

NĂNG LƯỢNG CỦA LIÊN KẾT

 Năng lượng của liên kết là chênh lệch NLTD của

hợp chất chứa liên kết này và hợp chất sau khi

liên kết này bị cắt đứt

 Phản ứng

ATP + H2O  ADP + Pvc

ADP + H2O  AMP + Pvc

Kèm giảm NLTD 7,3 Kcal ở 25oC, pH=7  Liên

kết ADP và Pvc, AMP và Pvc có NLTD là 7,3

Kcal

LIÊN KẾT GIÀU NĂNG LƯỢNG

Liên kết giàu năng lượng là liên kết có

lG0’l > 7 Kcal/mol hoặc lG0l > 5Kcal/mol

Biết rằng:

G0’ = -nF E0’, ta có:

E0’ = 7Kcal/2.23,06 = 0,152V

Vậy, ở giai đoạn nào E0’ > 0,152V thì ở đó sẽ đủ

năng lượng tạo ra 1 phân tử ATP từ ADP

Các loại liên kết phosphate

Liên kết nghèo năng

lượng

Liên kết giàu năng

lượng Năng lượng giải

LIÊN KẾT GIÀU NĂNG LƯỢNG

Nếu tính E0’ khi e- vận chuyển từ NADH,H+ tới O2:

E0’ = + 0,81- (- 0,32) = + 1,13 volt

lG0’l = nFE0’ = 2 x 23,06 x 1,13 = 52 Kcal

Tuy nhiên, năng lượng này không tích trữ trong một

lần mà theo từng giai đoạn kế tiếp nhau, giai đoạn

nào đủ tạo liên kết giàu năng lượng sẽ tạo ngay tại

thời điểm đó

VD:

NAD FAD C0Q  Cytb  Cytc  Cyt(a+a3)  O2

CÁC CHẤT “GIÀU” NĂNG LƯỢNG

CTP…

NDPADP,GDP,CDP…

VDP…

CÁC CHẤT “GIÀU” NĂNG LƯỢNG

R – C – CO ~ AMPl

NH2

CÁC CHẤT “GIÀU” NĂNG LƯỢNG

3 Enol phosphat

R - C - O ~ P

llCHl

PEP (phosphoenolpyruvat)COOH

ll

C

C O ~ PO ~ Pllll

CH2

NH ~ Pll

HN = C

ll

N

N CHCH2 COOHCOOHll

CH2l

VAI TRÒ CỦA PHOSPHORYL

HOÁ VÀ KHỬ PHOSPHORYL

1 Tích trữ năng lượng

ADP + Pvc  ATP



Q (từ quang hợp hoặc các pứ oxh-kh)

Ở mô: Creatin  Creatin ~ P

R – COOH R – CO - SCoA Lipid

CO2,H2O,…

ATP AMP + PP

HS CoA

Glycogen

phosphatase b

không hoạt động

Phosphatase a hoạt động

Enzyme glucokinase

enzyme glucose phophatase

Q Q

ADP

3 Vận chuyển năng lượng

4 Ức chế enzyme

Glycogen synthase I

(hoạt động)

Glycogen synthase D(không hoạt động)

phosphatasekinase

 Một số từ viết tắt:

– Nicotilamid: vitamin PP

– NMN: Nicotilamid mononucleotide

– NAD: Nicotylamid adenin dinucleotide

– NADP: Nicotylamid adenin dinucleotid phophate

– FMN: Flavin mononucleotide

– FAD: Flavin adenin dinucleotide

– Cyt: hệ thống cytocrom gồm các enzyme vận chuyển

điện tử, có Co.E chứa nhân protoporpyryl gắn ion sắt

có thể biến đổi hóa trị làm Cyt có khả năng chuyển

điện tử Có nhiều loại Cyt (a, b, c, d…) Cyta3 và Cyta

liên kết lại với nhau tạo thành phức Cyt.oxydase mang

ion Fe và Cu cùng tham gia chuyển điện tử

CHUYỂN HÓA CÁC CHẤT

 Chuyển hóa trung gian bao gồm các phản ứng và

quá trình hóa học xảy ra trong tế bào

 Đó là khâu quan trọng và phức tạp nhất của

chuyển hóa các chất

 Gọi là chuyển hóa trung gian là vì các quá trình

hóa học diễn ra qua nhiều khâu trung gian và

nhiều chất trung gian

 Các chất này được gọi là chất chuyển hóa hay sản

phẩm chuyển hóa

Đồng hóa (Anabolism)

 Là quá trình biến đổi các đại phân tử hữu cơ có

tính đặc hiệu theo nguồn gốc thức ăn thành các

đại phân tử glucid hay acid nucleid có tính đặc

hiệu của cơ thể

 Quá trình đồng hóa diễn ra theo ba bước:

– Tiêu hóa

–Hấp thu

–Tổng hợp

enzyme thủy phân cĩ trong dịch tiêu hĩa

Hấp thu:

Acidamin,

glucose…(dạ dầy) Niêm mạc ruột non Máu

Quá trình vật lý (sự khuyếch tán)

Hĩa học (sự phosphoryl hĩa, sự vận

chuyển tích cực qua màng tế bào)

Hấp thu:

Triglicerid

Acid béo (Tế bào ruột non)

Mạch bạch huyết

OÁng ngực

Tĩnh mạch dưới đòn

Tế bào và mô chuyển thành dự trữ

(glycogen, triglycerid…)

Các họat động sống(acid nucleic, enzyme…)

ADP +

H3PO4

Tế bào sử dụng Q co duỗi cơ hay công thẩm thấu (vận chuyển tích cực) và các hoạt động khác

Cách viết:

II Các quá trình diễn ra trong

5 Sự biến đổi của acid pyruvic và Chu trình TCA

6 Sự chuyển hóa protein

7 Sự chuyển hóa lipid

1 Sơ đồ tổng quát về chu trình

TĐC trong sinh giới

Pyruvat Acetyl Acetyl CoA CoA

Chu trình Krebs

Hô hấp

tế bào

Vận chuyển hydrogen ADP + P

Glycogen Glucose

Triglycerid Glycerol Acid béo

2 Quá trình Quang hợp

Sự chuyển hoá của glucid trong

cơ thể sống

 Sự tổng hợp glucid – Quá trình quang hợp

 Sự phân giải các hợp chất polysaccharid

 Sự phân giải glucid – Quá trình hô hấp

Sự tổng hợp glucid Quá trình quang hợp

Pha sáng quang hợp

Pha tối quang hợp – Chu trình Calvin - Benson

Vai trò của quang hợp ra làm ba mảng chính:

Tổng hợp chất hữu cơ: thông qua quang hợp, cây xanh

tạo ra nguồn chất hữu cơ là tinh bột là đường glucose

Tích luỹ năng lượng: mỗi năm, cây xanh tích lũy một

nguồn năng lượng khổng lồ

Điều hoà không khí: giúp điều hoà lượng hơi nước, CO2

và O2 trong không khí, và hoà nhiệt độ không khí

Quá trình quang hợp

Các giai đoạn chính của quá trình quang hợp :

 Pha sáng: Pha sáng của quang hợp là pha

chuyển hoá năng lượng của ánh sáng đã

được diệp lục hấp thu thành năng lượng của

các liên kết hoá học trong ATP và NADPH

 Pha tối: Pha tối (pha cố định CO2) diễn ra

trong chất nền lục lạp, ATP và NADPH sinh ra

trong các phản ứng sáng được sử dụng để

khử carbon dioxid thành hidrate carbon

Quá trình quang hợp

Cách thức tiến hành:

Trong pha sáng diễn ra quá trình quang phân ly

nước, diễn ra tại xoang của thylacoid theo sơ đồ

phản ứng sau: 2H20 -> 4H+ + 4e-+ 02

Các electron xuất hiện trong quá trình quang phân

ly nước đền bù lại các electron của diệp lục a bị mất

khi diệp lục này tham gia truyền electron cho các

ThS Phạm Hồng Hiếu Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9 71

ThS Phạm Hồng Hiếu Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9 73

CHU TRÌNH CALVIN

Sự quang hợp ở thực vật xảy ra theo 2

quá trình: pha sáng và pha tối

Chu trình Calvin do Malvin Calvin tìm ra

thể hiện các phản ứng trong pha tối

Chu trình này bao gồm 3 trạng thái:

1 Sự kết hợp CO2 dưới tác động của ribulose

1,5-bisphosphate để tạo thành 2 phân tử

ThS Phạm Hồng Hiếu Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9 77

Ribulose 1,5-bisphosphate được tổng hợp

từ fructose 6-phosphate, glyceraldehyde

3-phosphate, và dihydroxyacetone phosphate bởi

một chuỗi các phản ứng liên tục và phức tạp

3 ATP và 2 NADPH được sử dụng cho quá

trình chuyển hóa 1 phân tử CO2 thành hexose

Tinh bột trong lục lạp (chloroplasts) và sucrose

trong tế bào chất (cytosol) là nguồn carbon dự trữ

chính của thực vật

ThS Phạm Hồng Hiếu Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9 79

6 CO2 + 18 ATP + 12 NADPH + 12 H2O 

C6H12O6 + 18 ADP + 18 Pi + 12 NADP+ 6H+

Kết quả tổng hợp glucide của

chu trình Calvin

Nếu kết hợp giữa chu trình Calvin và con

đường tổng hợp của thực vật C4 thì ta được:

6 CO2 + 30 ATP + 12 NADPH + 12 H2O 

C6H12O6 + 30 ADP + 30 Pi + 12 NADP+ 18H+

Các phản ứng của ánh sáng trong quá trình

quang hợp tạo nên dòng điện tử chuyển

dịch từ thylakoid vào trong dịch đệm của tế

bào, đồng thời chuyển dịch proton từ dung

dịch đệm của tế bào sang thylakoid lumen

Một số thực vật nhiệt đới trong điều kiện có nhiều ánh sáng

nhưng lại ít oxygen lại có quá trình tổng hợp khác bên cạnh

chu trình calvin gọi là thực vật C4

Tế bào chất Vỏ ngoài tế bào 4C

3C

CO2(mesophyll cell) + ATP + H2O  CO2(bundle-sheath cell)

+ AMP + 2 Pi + H +

Thực vật trong điều kiện khô cằn tận dụng

Crassulacean acid metabolism (CAM) để ngăn chặn

sự dehydrat hóa Trong thực vật có CAM, con đường

C4 hoạt động vào buổi tối khi thực vật trao đổi khí với

môi trường

Trong ngày, lượng khí trao đổi bị hạn chế, CO2 tạo

thành từ không bào, các lá của thực vật loại này

thường tự khép lại khi trời quá nóng

Lưu ý rằng:

Cứ 30 phân tử ATP được sử dụng để tổng

hợp nên 1 phân tử hexose trong con đường

C4 chuyển CO2 cho chu trình Calvin

Ngược lại cứ 18 phân tử ATP lại có khả

năng làm biến mất 1 hexose trong con

đường C4

3 Quá trình đường phân

Sự phân giải glucid

 Quá trình đường phân

 Chuỗi chuyển điện tử hô hấp – Tạo ATP

 Chu trình Krebs

ThS Phạm Hồng Hiếu Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9 87

SỰ CHUYỂN HÓA CÁC HỢP CHẤT GLUCID

Quá trình oxy hoá hô hấp

 Quá trình đường phân:

 Con đường Embden – Meyerhoff – Parnas

 Con đường Pentose – Phosphate

 Con đường Entner - Doudoroff

Con đường Embden – Meyerhoff – Parnas

ThS Phạm Hồng Hiếu Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9 91

- Con đường Pentose - Phosphate

Giai đoạn 1

- Con đường Pentose - Phosphate

Giai đoạn 2

Con đường Entner – Doudoroff (2-keto-3deoxy-6-phosphogluconat)

4 Quá trình hô hấp

CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO

(CHHTB)

”Đốt cháy” các chất hữu cơ trong cơ thể

Sự oxy hóa khử xảy ra trong tế bào

Oxy hóa sinh học

ĐẶC ĐiỂM HÔ HẤP TẾ BÀO:

 Sản phẩm cuối cùng và Q tỏa ra:

 CO2được tạo thành từ phản ứng khử carboxyl (-COOH)

từ các acid trung gian được tạo thành.

R - COOH  R-H + CO2Decarboxylase

 Sự tạo thành H2O: xảy ra ở màng trong của ty thể

SH2  S (Substrate)

 2H  2H +

 2e -  H2O

CÁC YẾU TỐ THAM GIA

Cơ chất cung cấp hidro (SH2): chất

chuyển hoá trung gian, đặc biệt từ chu

CÁC YẾU TỐ THAM GIA

 Hệ thống cytochrome (vận chuyển e-):

protoporphyrin có chứa Fe+2/Fe+3 (Cyt b,c,a),

hoặc Cu+1/Cu+2 (a3) Cyt (a+a3) = Cyt oxydase

 Oxi phân tử (O2): từ phổi, có thế năng oxi hoá

khử chuẩn (Eo’) lớn nhất

 Các enzym khác: peroxidase, superoxide

dimutase, catalase

 Tại ti thể, trong điều

kiện ái khí: dạng oxi

hoá (quinon); trong

( (  E E0’<0.15 Volt)

2Fe +2 (2Cyt(a+a3) 2Fe +3

2Cu +1 2Cu +2

1ATP 1/2O O 2 2

ThS Phạm Hồng Hiếu Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9 103

Chỉ số phosphoryl hóa (P/O):

Số phân tử phosphat vô cơ được sử

dụng để phosphoryl hoá ADP thành

ATP khi một nguyên tử oxy bị khử

thành O-2)

P/O = 1,2,3 (<4) Trung bình bằng 3

ATP được tích trữ nhiều hay ít hơn tuỳ

vào chuỗi hô hấp tế bào dài hay ngắn

hơn  tuỳ theo cơ chất cung cấp hydro

Oxy hoá succinat thành fumarat: được 2

Oxy hoá alpha-cetoglutarat thành

succinat cho 4 ATP (chu trình acid citric)