Nang luong sinh hoc

Các phản ứng tạo năng lượng trong cơ thể Bản chất hoá học của quá trình giải phóng năng lượng từ cơ chất là quá trình oxy hoá.. Như vậy, các phản ứng cung cấp năng lượng có thể là quá tr

Chuyên đề

Năng lượng sinh học

quá trình tạo năng lượng

MỞ ĐẦU

Năng lượng cần cho tất cả các hoạt động sống của

cơ thể sinh vật Năng lượng của sự sống khởi nguồn từ năng lượng ánh sáng mặt trời Nguồn năng lượng này vào

cơ thể sẽ trãi qua quá trình biến đổi và tích luỹ năng lượng

Trong cơ thể sinh vật có nhiều quá trình tạo ra năng lượng Mỗi quá trình tạo ra năng lượng diễn ra theo một hướng khác nhau và hiệu quả cũng khác nhau Sau đây chúng ta lần lượt tìm hiểu hiệu quả của các quá trình tạo năng lượng trong cơ thể sinh vật

NỘI DUNG

1 Các phản ứng tạo năng lượng trong cơ thể

1.1 Năng lượng của quá trình quang hợp

Năng lượng của quá trình phosphoryl hoá vòng

Năng lượng của quá trình phosphoryl hoá không vòng

1.2 Năng lượng của quá trình phân giải hydratcacbon

Năng lượng của quá trình đường phân (glycolyse)

N ng l ng c a chu tr ă ượ ủ ình Crebs

N ng l ng c a chu tr ă ượ ủ ình pentosephosphat

2 Năng lượng của quá trình phân giải chất béo

3 Năng lượng của các phản ứng khác

4 Hiệu số-hiệu quả sử dụng năng lượng phosphoryl hoá oxy hoá

Hiệu quả sử dụng năng lượng phosphoryl hoá

Con đường đường phân Con đường pentosephosphat Hiệu số sử dụng năng lượng

1 Các phản ứng tạo năng lượng trong

cơ thể

Bản chất hoá học của quá trình giải phóng năng lượng từ cơ chất là quá trình oxy hoá

Năng lượng của quá trình này chỉ được tế bào sống

sử dụng khi chúng được giải phóng dần dần và từng bước nhất định cũng như khi chúng được chế biến thành các dạng thích hợp Như vậy, các phản ứng cung cấp năng lượng có thể là quá trình cung cấp hydro, tách các điện tử, tạo thành ATP, toả nhiệt tự do

Trong cơ thể sinh vật có các quá trình tạo ra năng lựong sau đây:

1.1 Năng lượng của quá trình quang hợp

Tất cả các nguồn năng lượng cho sự sống đều khời nguồn từ năng lượng ánh sáng mặt trời Bởi vì, nhờ năng lượng ánh sáng mặt trời mà cây xanh có thể chuyển hoá từ các chất vô cơ thành các chất hữu cơ của chúng và từ đó là nguồn chất dinh dưỡng cho tất

cả các sinh vật khác

Trong cơ thể sinh vật quang hợp, có 1 hệ thống phản ứng phức tạp, chuyển hoá năng lượng của các foton ánh sáng thành hoá năng trong các liên kết của các hợp chất hữu cơ gọi là Quang hợp

• Quá trình quang hợp có thể tóm tắt như sau:

CO2 + H2O → (CH2O) + O2

Đây là phản ứng thu năng lượng Người ta tính toán muốn khử từ 6CO2 để tạo thành glucose - 6 - phosphat - sản phẩm cuối cùng của phản ứng quang hợp, cần thiết phải có 12 phân tử NADPH và 18 phân

tử ATP Nguồn năng lượng để tạo thành các phân tử NADPH và ATP này do năng lượng ánh sáng mặt trời cung cấp

Các sắc tố quang hợp gồm: Clorophin, Carotenoit, Phycobilin và sắc tố của dịch tế bào

`Quang hợp ở cơ thể thực vật gồm: quá trình quang

1.1.1 Quang Phosphoryl hóa vòng (Cyclic Photophosphorylation)

E

P700

1 O Electron acceptor

Ferredoxin (Fd) (E 0 = O,43V)

Plastoquinone (P Q ) (E 0 = 0,06V)

Plastocyanin (E 0 = O,365V)

Các phân tử diệp lục, khi hấp thu lượng tử ánh sáng chuyển thành trạng thái kích thích Ở trạng thái kích thích dưới tác dụng của ánh sáng tiếp tục chlorophyl trở thành chất cho điện tử

Chất nhận điện tử đầu tiên trong chuỗi phosphoryl hóa là protein –ferredoxin có chứa sắt Khi nhận điện tử thì ferredoxin chuyển thành trạng

• Vì là chất khử mạnh, nên ferredoxin-Fe2+ chuyển điện

tử cho chất vận chuyển trung gian tiếp theo là cytochrom b6, có thế năng là :

E0 =-0,060volt và khử cytochrom này Từ cytochrom b6, lại được chuyển điện tử cho cytochrom f, có thế năng là

E0 =+ 0,365volt, cuối cùng điện tử quay trở lại chlorophyl

• Trong quá trình vận chuyển điện tử, có sự tham gia của các hệ thống enzyme đặc hiệu, nên hình thành các liên kết phosphoryl giầu năng lượng ATP mà không có tham gia của bất kỳ một chất cho hay chất nhận điện tử nào khác

• Đó là nét đặc trưng của quá trình phosphoryl hóa vòng và có thể trình bày theo phương trình tổng quát:

nADP +nP → n ATP +n H2O

• Quá trình phosphoryl hóa vòng không đủ thỏa mãn năng lượng để khử CO2 cho nên trong quang hợp còn có thể có quá trình khác bổ sung, đó là qúa trình phosphoryl hóa không vòng để cung cấp ATP và NADPH cho đồng hóa CO

hv

Dl

1.1.2 Quang Phosphoryl hóa không vòng

(NoncyclicPhotophosphorylation)

H2O + ADP + P +2NADP + Enzym →hν ATP +2NADPH + ½ O2

Thành phần của chu trình truyền điện tử ở đây

là plastoquinon, plastoxyanin, xitocrom f rồi đến

P700 của PSI mà không trở về P680 để khép kín chu trình Điện tử bù lại cho P680 được lấy từ H2O qua quá trình quang phân ly nước để giải phóng O2 và

e, cũng như H.

Vì vậy, kết quả của chu trình truyền điện

tử không vòng này là sự hình thành không những ATP mà còn giải phóng O2 và hình

+ -

• Con đường không vòng thực hiện bởi hệ sắc tố sóng ngắn và sóng dài bao gồm: clorophin a có cực đại hấp thu ở bước sóng λ< 680nm và các sắc

tố phụ khác.P680 là trung tâm phản ứng của phản ứng sáng II.

• Chất nhận điện tử đầu tiên của PSII là C550

• Các sản phẩm của quá trình quang phosphoryl hóa không vòng là ATP, NADPH và oxy, do đó

có thể viết phương trình tổng quát như sau:

2H2O+ 2ADP + 2 P + 2NADP+→ 2ATP + 2NADPH +O2

Hiệu quả năng lượng của quá trình

1 Quá trình Quang Phosphoryl hóa vòng:

Trong quá trình này cứ trung bình 4 photon

ánh sáng đỏ thì vận chuyển được 4 điện tử và tạo được từ 2 đến 4 ATP (1 ATP =9kcal) Một photon ánh sáng đỏ có năng lượng là 42 Kcal, hiệu suất năng lượng tối đa có thể có của quá trình này là:

(9x4/42x4)x100% = 22%

Hiệu quả năng lượng của quang

phosphoryl hóa không vòng cao hơn so

với quang phosphoryl hóa vòng

• 2 Quá trình quang phosphoryl hóa không

vòng:

• Kết quả của quá trình quang Phosphoryl hóa không vòng là một phần quang năng bị biến đổi được dùng vào việc tạo thành ATP, phần còn lại được dùng để tạo NADPH-H (=52 Kcal) và giải phóng O2.

• Tỷ lệ foton: điện tử: NADPH-H:ATP là 4:2:1:1 Như vậy hiệu suất năng lượng của quá trình này là:

• [(52+9)/168]x 100% = 36%.

1.2 NĂNG LƯỢNG CỦA CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI HYDRATCACBON

• Phân giải hydratcacbon có thể được thực hiện bằng những con đường khác nhau: bằng con đường đường phân hoặc oxy hoá trực tiếp bằng con đường pentosephosphat.

• 1.2.1 Đường phân

•Như vậy dựa vào sơ đồ, ta thấy có 3 giai đoạn tạo năng lượng đó là:

* Giai đoạn I: Glyceraldehyt-3-phosphat + NAD + P

Axit-1,3-diphosphoglyceric + NADH + H

Giai đoạn này rất quan trọng và phản ứng oxy hoá thường diễn ra theo một hướng vì sản phẩm của phản ứng đầu lập tức được dùng cho phản ứng sau

Ngoài việc tạo ra NADH thì trong phân tử diphosphoglyceric có chứa liên kết phosphat giàu năng lượng

Axit-1,3-Do đó, dưới tác dụng của E phosphoglyceratkinase gốc phosphat chứa liên kết cao năng được chuyển Axit-1,3-

+

+

* Gđ II: Axit-1,3-diphosphoglyceric + ADP

Axit3-phosphoglyceric + ATP

Cuối cùng của con đường này, từ

phosphoenolpyruvic có chứa liên kết phosphat cao năng, nhờ tác dụng của

E.phosphopyruvackinase chuyển gốc phosphat chứa liên kết cao năng đến phân tử ADP để tạo thành ATP.

* Gđ III: Axit phosphoenolpyruvic + ADP.Mg

Axit pyruvic + ATPNhư vậy chuyển hoá 1 phân tử glucose đến axit pyruvic tiêu hao 2ATP để phosphoryl hoá glucose thành glucose-6-phosphat và fructose-6-phosphat thành fructose-1,6-diphosphat

Sau đó phân tử fructose-1,6-diphosphat bị phân cắt tạo thành 2 phân tử glyceraldehyt-3-phosphat Mỗi phân

tử này tiếp tục chuyển hoá tạo thành 2 phân tử ATP cung cấp cho tế bào

* Quá trình này được tóm tắc như sau:

Glucose + 2P + 2NAD + 2ADP  +

1.2.2 Chu trình Krebs

* Từ 2 phân tử axetyl –CoA đi vào 2 vòng của chu

trình và có phương trình tổng quát:

2axetil-CoA + 4H2O + 6NAD + 2FAD + 2ADP +2Pi 

4CO2 + 6NADH + 2FADH2 + 2ATP +6H + 2CoA-SH

• NADH và FADH2 dùng tổng hợp ATP ở màng trong ty thể

Khi oxy hoá glucose-6-phosphat mạch 6C bị oxy hoá và

Năng lượng của chu trình pentosephotphat

-Kết quả mạch cácbon bị cắt dần từ hexose qua pentose đến tetrose Nhưng không phản ứng nào trực tiếp tổng hợp.ATP.

- Mỗi lần oxh tách ra 1C ở dạng CO2 và tạo thành 2NADPH

- Kết quả tính được của chu trình nay tạo ra 12 phân tử NADPH (tương đương 36ATP) Vậy nó tương đương với chu trình Crebs về mặt năng lượng Ngoài ra nó còn cung cấp những vật liệu để tổng hợp các CoE, nucleotit và axitnucleic

1.3 Phân giải  của axit béo.

Phương trình tổng quát:

CH3-(CH2)n- CO-SCO-A +FAD +NAD+ + CoA-SH

CH3-(CH2)n -2 - CO-SCO-A +FADH2 +NADH + H + + Axetyl-CoA

3

α β

Bước 1:

α β

α β

H3C (CH2)n C CH2 C SCoA

O O

Tổng quát

* Tổng kết năng lượng trong quá trình - oxy hóa của axit béo:

Một vòng xoắn của quá trình thủy phân tạo ra được 1 FADH2tương đương 2 ATP và 1 NADH tương đương 3ATP tổng cộng

5 ATP

Mỗi phân tử axit béo có n số nguyên tử cacbon, với n chẵn thì

số vòng này là (n/2)-1 và sinh ra n/2 phân tử Axetyl-CoA

Một phân tử Axetyl-CoA đi vào chu trình Krebs sẽ tạo ra 12ATP

Hoạt hóa axit béo lúc đầu cần 1 ATP Vậy toàn bộ năng lượng được giải phóng ra khi phân giải  của axit béo là

Năng lượng (tính bằng ATP): 5(n/2-1) + 12n/2 -1

• 3 Năng lượng của các phản ứng khác

• Trong cơ thể sinh vật có một số phản ứng quan trọng dù nó không trực tiếp tao ra ATP nhưng nó

là nguồn cung cấp Hidro trong quá trình trao đổi vật chất.

• Quá trình khử amin hoá oxi hoá

• Quá trình này chuyển các a.a thành a.cacbocilic

và cung cấp hidro cho tế bào

- Oxi hoá prolin

• Prolin +Fp Pyrrolin-2-carboxylic + FpH2

- Metyl hoá - oxi hoá Calomin

• Calomin + 3(-CH3) Cholin + Maleic + FpH2

- Oxi hoá Glutamic

• L-Glutamat + NAD(P) + H 2 0

alpha-Cetoglutarat + NH + NAD(P)H + H

+

+

4 Hiệu quả năng lượng photphoryl hoá – oxy hoá

Tạo thành ATP trong con đường Embden-Meyehof

4.1 Con đường Embden-Meyerhof: năng lượng giải phóng ra được tích luỹ vào ATP và H đi vào chuổi hô hấp tạo ra ATP

4.2 Con đường pentosephosphat: Tạo ra 12 phân tử

NADPH2 (tương đương 36ATP)

4.3 Tạo thành ATP trong quá trình oxh axit béo: Năng lượng (tính bằng ATP) tạo ra được tính bằng công thức: 5(n/2-1) +

12n/2 -1

5 Hiệu số sử dụng năng lượng

• Là năng lượng có trong ATP tích luỹ được trong quá trình oxh một cơ chất nào đó so với năng lượng chính cơ chất đó đốt cháy trong nhiệt lượng kế

• Ví dụ: Khi oxh glucose thành axit lactit tạo 2 ATP

Ta đã biết từ glucose đến lactat cần 47Kcal/mol, nhưng năng lượng tích luỹ được trong 2ATP chỉ khoảng 18Kcal (Nl sinh học) Do đó hiệu số sử dụng năng lượng là khoảng 40% (quá trình glycolyse)

Trong khi đó đốt cháy 1glycose thì toả ra nhiệt lượng là: 673kcal/mol Nhưng trong cơ thể sinh vật oxh hoàn toàn 1glucose tạo thành CO2 và H2O chỉ tạo thành 38ATP (tương đương 342kcal) cho nên hệ số sử dụng năng lượng ở đây khoảng 51%.

Tương tự như thế với axit béo cũng ở vào

Như vậy hiệu quả sử dụng năng lượng và hiệu

số sử dụng năng lượng ở mỗi cơ thể khác nhau, ở mỗi quá trình khác nhau và đối với mỗi cơ chất khác nhau