Bài giảng Khái quát trao đổi chất và năng lượng sinh học

Nội dung• Trao đổi chất: Qúa trình đồng hóa và dị hóa • Khái niệm về năng lượng sinh học: các hợp chất cao năng thường gặp • Phosphoryl hóa oxi hóa... Khái quát về trao đổi chất 1Sự trao

KHÁI QUÁT TRAO ĐỔI CHẤT VÀ

NĂNG LƯỢNG SINH HỌC

Ths Lê Thụy Bình Phương

Nội dung

• Trao đổi chất: Qúa trình đồng hóa và dị hóa

• Khái niệm về năng lượng sinh học: các hợp chất cao năng thường gặp

• Phosphoryl hóa oxi hóa

Khái quát về trao đổi chất (1)

Sự trao đổi chất (TĐC) là chuỗi các phản ứng hóa học

(pathway), thường được xúc tác bởi enzyme, xảy ra trong

tế bào sống - Sự TĐC bao gồm 2 quá trình đồng hóa và dị hóa

• Mỗi bước trong chuỗi phản ứng sản xuất một sản phẩm (chất chuyển hóa / trung gian) khác với chất tham gia phảnứng ban đầu

• Enzyme xúc tác chuỗi các phản ứng hóa học có chức năng như một phức hệ enzyme (multienzyme complexes).Note: phức hệ enzyme (multienzyme complexes)?

Khái quát về trao đổi chất (2)

• Trao đổi chất xảy ra trong tế bào

• Đồng hóa và dị hóa: mâu thuẫn nhưng hỗ trợ thống nhấttrong sự chuyển hóa chất

• Các p/ư dị hóa: phá

vỡ các phân tử lớn

thành các phân tử

nhỏ hơn và cung cấp

năng lượng cho tế

Quá trình dị hóa

Gđ1: (Tiêu hóa và

thủy phân) phân

tử lớn phân tử

nhỏ hơn máu

Gđ 2: (sự thoái biến)

Gđ3: (oxi hóa) bị oxi

hóa trong chu

trình acid citric và

phosphoryl hóa để

cung NL ATP

Các cơ quan tham gia vào quá trình

trao đổi chất của cơ thể

Các hợp chất cao năng thường gặp

trong mô bào ĐV

• Hệ thống ATP/ADP

• Hệ thống creatinine phosphate/creatine

• Các Coenzyme vận chuyển điện tử (NAD+ , NADP+ FAD+ ,FMN+ )

Các hợp chất cao năng

• Hệ thống creatinine phosphate/creatine: giữ vai trò thứ cấptrong ch trữ ~P

• Khi NL phóng thích nhiều, hệ ATP/ADP không ch trữ hết, NL

sẽ ch trữ trong creatine creatine phosphate (CP) Khicần năng lượng, CP sẽ nhả NL để ADP ATP

Các Coenzyme vận chuyển điện tử (NAD+ , NADP+

FAD+ ,FMN+ )

• Các coenzyme có thể nhận electron (bị khử)

• Các coenzyme này cũng có thể nhường electron khi có yêu cầu

• Vai trò: chuyển giao electron điện tử cho chuỗi

vận chuyển điện tử trong quá trình hô hấp mô

bào để thành lập năng lượng ATP

Quá trình phosphoryl hóa oxi hóa (1)(oxidative

hydrogen này được gắn trọn vẹn trên chất nhận điện tử coenzyme NAD+, còn nguyên tử hydrogen thứ hai chỉ có điện tử e- được gắn vào NAD+, còn proton H+ di chuyển tự do trong môi trường FAD và FMN nhận trưc̣ ếp 2 ntử hydrogen

Quá trình phosphoryl hóa oxi hóa (2)

• Các coenzyme vận chuyển điện tử không thể vượt qua màng ty thể nhưng các electron có thể được vận chuyển gián tiếp thông qua chất mang điện tử

• Electron được vận chuyển qua một loạt các chất mang điện tử (chủ yếu là protein) được hoạt động một cách tuần tự theo thế năng oxi hóa khử từ thấp đến cao

(như kiểu “dòng nước chảy xuôi”)

• Các chất mang điện tử này sẽ chuyển các electron

đến oxy và đi kèm theo nó là dòng proton H+ từ

matrix (là khoảng không gian bên trong màng của ty lạp thể)

• Kết quả: Sự khác biệt về nồng độ hóa chất và phân bố điện ch bên trong và bên ngoài màng không đều

tạo ra một động lực proton (proton motive force)

Động lực proton (proton motive force)

Quá trình phosphoryl hóa oxi hóa (3)

• Động lực proton sẽ đẩy proton trở lại matrix

thông qua một kênh nằm trong phức hợp

protein , nơi sẽ tổng hợp ATP [FO-F1-ATPase] Khi dòng proton làm quay phần đầu của phức hợp (vặn vẹo), enzyme ATP synthease xúc tác sự thành lập ATP từ ADP

Note : Phần đầu này của phức hợp protein giống như như một bánh xe, phần ATP synthease không gắn chặt vào phần đầu Nhưng khi phần đầu xoay

nó sẽ kích hoạt ATP synthase thành lập ATP

chất mang điện tử hoạt động một cách tuần tự theo thế năng oxi hóa khử từ thấp đến cao

Hiệu quả năng lượng ATP được tạo ra

từ chuỗi vân chuyển điện tử

• Đối với electron di chuyển từ NADH đến O2

(-0.32 to +0.82 volts), E0 / = 1.14 volts

= - 221 kJ/mole NADH bị oxi hóa khử

Nhưng 3 ATP = 3 x 31 = 93 kJ được bảo toàn

Hiệu quả = 93/221 = 42% được nắm giữ

ATP tạo ra từ matrix được thoát ra tế bào chất như thế nào??(tham khảo)

• ADP và ATP không chỉ đơn giản là khuếch tán qua màng trong ty thể không thấm nước.

• ADP đi vào matrix của ti thể là cùng với sự thoát ra tế bào chất của ATP bởi sự hoán vị

ATP-ADP

• Đây là một protein vận chuyển (antiporter)

• Năng lượng đến từ thế năng xuyên màng.

• Sử dụng khoảng 25% tiềm năng năng lượng.

Trả lời một số câu hỏi sau???

F0F1-ATPase (tham khảo)

- ADP và phosphate liên kết với một

trung tâm hoạt động, xúc tác sự hình

thành các ATP

- Năng lượng từ động lực proton

như đòn bẩy đẩy ATP ra khỏi trung

tâm hoạt động.

Hãy tưởng tượng hoạt động của F0F1-ATPase như hoạt động của các bánh xe quay quanh trục cam

- Năng lượng được truyền tới các tiểu đơn vị xúc tác trong ATP synthase (phần đầu F1) bởi vòng quay của trục cam

- Các "cam" bóp méo các tiểu đơn vị protein để liên kếtATP

- Các năng lượng đầu vào được sử dụng để điều khiểnsự phóng thích ATP không cho hình thành các liên kết

- Phải mất ít nhất 9-12 proton để “lái” một vòng quay

của trục cam và sản xuất ra 3ATP

Toàn bộ phức hợp có thể đảo ngược và F0 đóng vai trò như chiếc chìa khóa

F0F1-ATPase (tham khảo)

ATP synthase có 2 domain chức năng F0 và F1

Enzym này xúc tác lặp đi lặp lại quá trình ATP-ADP-ATP ADP và được đi kèm với một dòng chảy của proton từ P sang bên N

ATP chỉ được phóng thích bởi các gradient proton Các gradient

proton này gây việc quay trục

trung tâm và cũng quyết định

phóng thích ra các phân tử ATP là nhiều hơn hay ít hơn vì cấu tạo của các tiểu đơn vị được thay đổi bởi các chuyển động quay

ATP synthease (tham khảo)

Các loại phản ứng thường gặp

1 Chuyển nhóm chức năng:

VD: chuyển nhóm phosphate cao năng của ATP

2 Phản ứng oxi hóa khử : trao đổi điện tử

VD: glucose 6-phosphate thành phosphogluconic acid

3 Sắp xếp lại cấu trúc : thay đổi cấu trúc liên kết của một phân tử

VD: glucose 6-phosphate thành fructose 6-phosphate

4.Phân tách : phân cắt liên kết C-C

VD: fructose 1,6-phosphate thành dihydroxyacetone

phosphate và glyceraldehyde phosphate

5.Ngưng tụ : sự kết hợp của hai hay nhiều phân tử và loại

đi phân tử H2O

VD: thành lập nối peptide giữa các amino acid tạo

polypeptide

Biến dưỡng carbohydrate

Hầu hết các carbohydrate (glucid) đều được chuyển thành glucose trong quá trình biến dưỡng

Tiêu hóa carbohydrate

Sự vận chuyển carbohydrate (tham khảo)

1 Vận chuyển chủ động (xảy ra trên thành ruột-sự hấp thu)

• Protein tải di động có tên là sodium dependant glucose transporter ( gọi tắt là SGL T-1) SGL T-1 vận chuyển glucose vào bên trong

tế bào bằng cách sử dụng năng lượng có nguồn gốc từ việc

bơm natri-kali (đọc thêm tài liệu p 2)

• SGL T-1 có 2 vị trí: một cho natri và một cho glucose Sau khi

phóng thích glucose và Na vào trong tế bào chất, SGL T-1 đi ra khỏi tế bào để ếp tục vận chuyển thêm glucose và Na

2 Vận chuyển thụ động :

• Chất vận chuyển GLUT ( independent transporter )

• Đi từ nơi có nồng độ gradient cao xuống thấp

• Không cần năng lượng

Quá trình biến dưỡng carbohydrate xảy ra ở các cơ

quan

Gan

Cơ

Tế bào mỡ

• Đường phân EM (glycolysis): thoái biến glycogen và glucose hay monosaccharide khác thành pyruvate hoặc lactate

• Sự tân sinh đường (Gluconeogenesis): con đường từ

• Con đường HMP (Hexose Monophosphate): oxi hóa trực

ếp glucose-6 phosphate thành ribose-5-phosphate

• Chu trình TCA (Kreb)

Đường phân EM-Glycolysis

• Mục đích: Quá trình oxy hóa glucose để cung cấp

pyruvate (trong sự hiện diện của oxy) hoặc lactate

(trong điều kiện thiếu ôxy, VD: mô cơ xương) Tế bào hồngcầu (thiếu ty lạp thể): hoàn toàn phụ thuộc vào glucose là nhiên liệu trao đổi chất, và chuyển hóa bằng đường

phân kỵ khí

• Xảy ra trong tế bào chất của tất cả các tế bào mô

• Tạo năng lượng ATP

Glucose → 2 Pyruvate Lactate (yếm khí)

Acetyl-CoA (chu trình acid citric)

Đường phân EM (2)

2 Glucose (6 carbon) bị tách thành 2 phân tử có 3

carbon (dihydroxyacetone phosphate và 3-phosphate)

chuyển năng lượng tạm thời

Copyright © 2007 by Pearson Education, Inc Publishing as Benjamin Cummings

6 Các enzyme điều hòa đườngphân (glycolysis)

Tại sao phosphofructokinase (PFK), chứ không phải là hexokinase, là điểm kiểm soát quan trọng của đường phân?

Glucose-6-phosphate không chỉ là một chất trung gian trong đường phân

Nó cũng được tham gia vào việc tổng hợp glycogen và con đường hexose mono phosphate

PFK xúc tác phản ứng một chiều duy nhất và đầu tiên trong đường phân.

Các enyme điều hòa đường phân EM

- Hexokinase bị ức chế bởi nồng độ

glucose-6-phosphate cao (ngăn chặn quá trình phosphoryl hóa

glucose)

- Phosphofructokinase:bị ức chế bởi mức độ cao của

ATP và kích hoạt bằng mức độ cao của ADP và AMP

- Pyruvate kinase: bị ức chế bởi mức độ cao của ATP

hoặc acetyl CoA

Các sản phẩm của đường phân EM

(glycolysis)

2 phân tử Pyruvate

2 NADH + H+

2 ATP

Đường phân EM (glycolysis)

• Ý nghĩa:

Mở đầu cho quá trình hô hấp

Làm biến đổi căn bản về mặt cấu trúc của cơ

chất hô hấp (glucose)

Xúc ến các giai đoạn ếp theo ở giai đoạn hiếu khí dễ dàng hơn

Đường phân EM

Các hợp chất sinh học quan trọng trong

glycolysis

1 Tạo oxy cho mô bào

1,3- bisphosphoglycerate, làm giảm ái lực của

Hemoglobin với O2, tăng khả năng nhận oxy của môbào VD: khả năng của bào thai nhận oxy từ mẹ

2 Cung cấp các chất trung gian quan trọng:

a) phosphate dihydroxyacetone: chuyển thành

glycerol-3phosphate, sử dụng để tổng hợp triacylglycerol

và phospholipid (lipogenesis)

b) 3- phosphoglycerate: sử dụng để tổng hợp amino acid serine

c) Pyruvate: sử dụng trong tổng hợp amino acid

alanine

pyruvate acetyl CoA chu trình TCA (Kreb)

Con đường tổng hợp và suy thoái 2,3-BPG trong hồng

cầu (tham khảo)

Con đường biến dưỡng của hexose

Biến dưỡng pyruvate

Source: lecture3a, RA Leng, applied biochemistry

training course, Ha Noi November 2011

NAD + cần thiết cho quá trình glycolysis được ếp diễn Do đó ,NADH được sản xuất trong glycolysis phải được oxy hóa khử cho quá trình glycolysis

ếp diễn

Sự lên men

- Lên men là quá trình chuyển hóa trong điều kiện thiếu oxy

VD: hoạt động quá sức của các cơ bắp

- Hệ thống lên men thường được tìm thấy trong tự nhiên trong đầm lầy, và trong bùn dưới lúa nước, trong bãi rác bị phủ kín

- Lên men trong phương pháp làm rượu vang và bia.

Sự hình thành ethanol bởi nấm men

Source:lecture3a, RA Leng, applied biochemistry training course, Ha Noi, November 2011

NADH phải được tr ở lại thành NAD + hoặc chuỗi phản ứng của quá trình

lên men sẽ dừng lại

Vi khuẩn và protozoa (nguyên sinh động vật) sản xuất

acid béo bay hơi trong điều kiện kị khí

Source:lecture3a, RA Leng, applied biochemistry training course, Ha Noi, November 2011

Một ít nguồn NL glucose được ch trữ ở dạng ATP,

nhưng hầu hết vẫn còn trong VFA và được các tế

bào vi sinh vật tổng hợp

Chu trình Cori

Lactate chuyển thành pyruvate trong gan

Các giải pháp oxi hóa khử cho coenzyme trong

glycolysis kị khí

NADH NAD+ bởi sự sản sinh lactate hoặc ethanol từ pyruvate

Source:lecture3a, RA Leng, applied biochemistry training course, Ha Noi, November 2011

NADH được sản xuất trong đường phân và tổng hợp acetate

NAD + phải được tái sinh để cho phép đường phân tiếp tục

(H) được phóng thích khi NADH bị oxy hóa trong quá trình tổng hợp

propionate Và hơn nữa, H2 được lấy ra bởi VK methanogen Chúng sử

dụng (H) để khử CO2 và sinh khí mê-tan (CH4) Quá trình sinh methane làm sự lên men phí một lượng ATP nhất định

CO2 + 4 H2 CH4 + 2 H2O (+ ATP).

Giải pháp oxi hóa khử cho coenzyme trong

glycolysis hiếu khí

Trong glycolysis hiếu khí: NADH đi vào chuỗi vận chuyển

điện tử trong ty lạp thể để thành lập ATP

Sự tân sinh đường (glucoseneogenesis)

• Là quá trình tổng hợp glucose hoặc glycogen từ nguồn cơ chất không phải carbohydrate (non-

carbohydrate)

• Xảy ra ở gan (90%), thận (10%)

• Các con đường liên quan đến sự tân sinh

đường: đường phân nghịch, chu trình TCA, chu trình Cori, chu trình glucose alanine

• Các nguyên liệu cho sự tân sinh đường gồm:

pyruvate, lactate, các chất trung gian của chu trình

TCA, glycerol, alanine

Nguyên liệu tân sinh đường

http://www.slideshare.net/shurovee/gluconeogenesis-24372292?related=2

Aspartic acid

Alanine

Glutamic acid

Ba bước bypass một chiều trong tân sinh đường

Hầu hết các phản ứng của tân sinh đường là đảo ngược của đường phân, ngoại trừ 3 bước sau

Pyruvate phosphoenolpyruvate Fructose-1,6-bisphosphate Fructose-6-phosphate Glucose-6-phosphate Glucose

Tân sinh đường từ glycerol

http://www.slideshare.net/shurovee/gluconeogenesis-24372292?related=2

Tân sinh đường từ lactate (chu trình Cori)

Chu trình Tricarboxylic acid (TCA)

Giới thiệu

Chu trình Tricarboxylic acid gọi tắt TCA (Kreb,

Citric acid) bao gồm một chuỗi các phản ứng oxi hóa khử xảy ra trong ty lạp thể Kết quả:

• S ự oxi hóa nhóm chức acetyl giải phóng 2 ptử CO2

• Khử các coenzyme đã bị oxi hóa thông

qua quá trình phosphoryl hóa oxi hóa để thành lập ATP

Mối liên hệ của chu trình TCA trong sự trao đổi chất

Chu trình TCA đạt được những gì ?

• Cứ mỗi 2 carbon sẽ được oxy hóa thành 2 ptử CO2 (Acetyl CoA)

• Bốn phản ứng oxy hóa xảy ra thường tạo ra NADH / FADH2

• Một nối phosphate năng lượng cao được thành lập (GTP)

• « Chất mang» Oxaloacetate được sử dụng và tái sinh

Oxaloacetate là chìa khóa trung tâm và quan trọng trong sự trao đổi chất (là sự khởi đầu của tân sinh đường

Oxaloacetate có 4 nguyên tử carbon, là một α-keto acid (tiền chất của amino acid aspartate)

Năng lượng từ chu trình TCA

• Lưu ý rằng có rất ít cơ chất trực tiếp

sản xuất năng lượng ATP (chỉ có một phân tử GTP được thành lập)

• Sự sản xuất tối đa ATP đòi hỏi phải có oxy cho

phản ứng phosphoryl hóa oxi hóa (oxidative

phosphorylation) Nếu mức oxi thấp dẫn đến sự

tích tụ NADH và thiếu hụt NAD+ cho chu trình TCA

Do đó Chu trình TCA không thể hoạt động khi

không có oxy

• Trong phosphoryl hóa oxy hóa các FADH2 và

NADH bị oxy hóa

Chu trình TCA sản xuất được gì?

Tổng thể, các phản ứng trong chu kỳ sản xuất ra

• 3 NADH (= 9 ATP)

• 1 FADH2 (= 2 ATP)

• 1 GTP (= 1 ATP)

• Tổng cộng = 12 ATP cho mỗi phân tử Acetyl CoA

Nhớ rằng: Oxaloacetate hoạt động như một «chất mang», không có tổng hợp

Ý nghĩa chu trình TCA

• Giải phóng NL ở dạng hóa năng ATP và một phần

ở dạng nhiệt năng giữ ấm cho tế bào

• Tạo nhiều coenzyme, ngoài vai trò tạo ATP,

coenzyme được sử dụng cho việc khử các liên kết khác của tế bào (khử liên kết kép, carbonyl,

imine…)

• Nguồn cung carbon cho quá trình tổng hợp khác

• Trung tâm giao lưu của nhiều đường hướng phân giải và tổng hợp khác của tế bào

Con đường pentose phosphate

(hexose monophosphate)

Đặc tính của con đường pentose

Pha không oxi hóa

Sự phân giải glycogen

(glycogenolysis)

• Glycogen dự trữ trong gan và cơ

• Glycogen ở bắp cơ là nguồn cung hexose cho đường phân Glycogen ở gan duy trì hàm lượng đư ờng huyết trong máu

• Hormone: epinephrine, glucagon

http://www.slideshare.net/examville/823984-gluconeoglycogenmetabolism?related=2

Biến dưỡng lipid

Sự tiêu hoá lipid ở ruột

Source: bài giảng TS Đỗ Hiếu Liêm, Đại học Nông Lâm Tp.HCM, duong-lipid-285471.html

http://tailieu.vn/doc/chuong-iii-su-bien-Tham khảo: Triacylglycerol bị nhũ hóa thành micelle bởi acid mật (túi mật)- xảy ra trong ruột non

Các hạt micelle có phần lõi không phân cực (do có gốc R của các acid béo hướng vào trung tâm), xung quanh được bao bọc bởi các muối mật suốt quá trình

sonvat hóa

Micelle

Ghi chú: quá trình sonvat hóa

(solvation process) là sự tương

tác của chất tan trong dung môi

dẫn đến sự ổn định chất tan trong

dung dịch Ví dụ: các ion của chất

tan được bao bọc bởi /hoặc bị

phức hợp lại bởi các ion trái dấu

của dung môi tạo thành lớp vỏ

sonvat