nang luong sinh hoc

Năng lượng sinh học ATP và chu trình ATP , sinh học, năng lượng sinh học, chu trình năng lương, khoa học sự sống, công nghệ sinh học

NĂNG LƯỢNG SINH HỌC ATP VÀ CHU TRÌNH ATP

-Giáo viên hướng dẫn :

TS.Võ Văn Toàn

Người thực hiện

Trần Châu Cẩm Hồng Dương Thị Bích Liên

Nguyễn Thị Mân Trương Thị Xuân Trúc

I Năng lượng sinh học

1. Khái niệm

2. Tế bào tổng hợp ATP như thế nào?

II Sự tổng hợp và phân giải ATP

1. Cấu tạo ATP

2. Cấu tạo và chức năng ATP synthase

3. Sự tổng hợp ATP

4. Sự phân giải ATP

III Chu trình ATP

TỔNG QUAN

1 Khái niệm:

- Năng lượng sinh học là những quá trình phản ứng cungcấp, chuyển hoá và tiêu hao năng lượng, có tác dụng điều hoà vàthúc đẩy trao đổi chất của cơ thể sinh vật

- Trong hô hấp nội bào, sự chuyển hoá năng lượng là sựchuyển hoá năng lượng hoá học trong các liên kết của chất hữu cơ

đã được tế bào tổng hợp thành năng lượng trong các liên kết caonăng (ATP) dễ sử dụng

- ATP chính là nguồn cung cấp năng lượng sinh học chủyếu của mọi cơ thể sinh vật, là cầu nối giữa hai quá trình đồng hoá

và dị hoá

2 Tế bào tổng hợp ATP như thế nào?

Tuỳ thuộc vào trạng thái sinh lý, điều kiện môi trường mà

tế bào sống có thể tạo ATP theo một trong hai cách:

I NĂNG LƯỢNG SINH HỌC:

+ Năng lượng được giải phóng từ các liên kết hoá học trong phân tử chất phản ứng (cơ chất) được sắp xếp lại (cải tổ), do đó

sự phát sinh ATP nhờ liên kết các phản ứng phát nhiệt mạnh với tổng hợp ATP từ ADP và Pi

gọi là photphoril hoá cơ chất.

a Photphoril hoá cơ chất:

b Tổng hợp hoá thẩm ATP (Mitchell P.1978)

„ Mọi cơ thể đều có mặt các kênh protein xuyên qua màng, có

chức năng trong việc bơm proton ra ngo ài tế bào.

„ Sự hình thành ATP bằng phản ứng hoá học do lực khuếch tán tương tự lực thẩm thấu thúc

đẩy, nên gọi là tổng hợp hoá

thẩm ATP.

„ Như vậy chính việc dẫn truyền các điện tử cao năng của NADP đến màng là động lực để bơm tổng hợp hoá thẩm ATP.

Peter Mitchell

II SỰ TỔNG HỢP VÀ PHÂN GIẢI ATP:

1 Cấu tạo ATP

2 Cấu tạo và ch ức năng c ủa enzym ATP synthase

ATPsynthase được cấu tạo gồm 2 phần F0 và F1

- Phần đầu F1 là phần ưa nước nhô ra từ màng nằm trong

cơ chất, chứa đựng các phân tử xúc tác, thực hiện sự tổng hợp và thuỷ phân ATP Bao gồm 3 chuỗi α xen kẽ nhau và các tiểu phần ß.

- Phần dải làm nhiệm vụ liên kết F1 vào Fo

- F0 là một kênh proton, kéo dài hết độ dày của màng, là thành phần ghét nước nằm ở trên màng Thực hiện sự vận chuyển proton.

Mô hình lắp ghép các đơn vị của ATPsynthase

Sơ đồ cấu tạo chi tiết của ATP synthase

- Cột bên ngoài có 1 tiểu phần a, 2 tiểu phần b và tiểu phần δ

- F0 gồm vòng kênh proton có 10 đến 14 tiểu phần.

- Phần F1 có 5 loại chuỗi polypeptide ( α3, β3, γ, δ, ε), xuất hiện trong hoạt động của ATP synthase.

- α và β là loại P vòng

Chức năng của ATP synthase

Hoạt động của chuỗi vận chuyển điện tử đã bơm H+

vào màng trong Những ion H+ tạo ra điện thế gây nên sự chêch lệch thế năng điện thế Khi động

cơ quay mỗi lần 1 góc

120o làm các tiểu phần của F1 tiếp xúc và tác động việc liên kết giữa ADP và Pi để tổng hợp ATP.

Tổng hợp ATP từ ADP và

Pi

CƠ CHẾ TỔNG HỢP ATP CỦA ENZIME

ATP SYNTHASE

photphorin hóa oxi hóa ở màng trong của ty thể Được xúc tác bởi enzim ATP synthase dựa trên cơ chế chênh lệch gradien nồng độ giữa màng trong của ty thể và môi trường bên ngoài ty thể.

3 SỰ TỔNG HỢP ATP :

- Tất cả các cơ thể sống sản sinh ATP bằng

giải phóng năng lượng chứa trong glucose và các loại đường khác.

- Thực vật tạo ra ATP trong quá trình quang hợp (photosynthesis)

-Tất cả các sinh vật khác, bao gồm cả thực vật, phải sản sinh ATP bằng cách bẻ gãy các phân tử chẳng hạn như glucose.

a1 TRONG HÔ HẤP HIẾU KHÍ (Aerobic respiration)

- Là quá trình một tế bào sử dụng O2 đốt cháy các phân tử và giải phóng năng lượng.

- PTPƯ: C6H12O6 + 6O2 Ỉ 6CO2 + 6H2O Chú ý: Quá trình này là ngược với quang hợp (photosynthesis)

-Quá trình này diễn ra theo 3 con đường:

+ Đường phân (Glycolysis)

+ Chu trình Krebs (Krebs Cycle)

+ Chuỗi vận chuyển điện tử trong quá trình phôtphorin hóa (Electron Transport Phosphorylation)- thẩm thấu hóa học (chemiosmosis)

A SỰ TỔNG HỢP ATP TRONG HƠ HẤP

TRONG QUÁ TRÌNH ĐƯỜNG PHÂN (GLYCOLYSIS)

Glycolysis (glyco = đường; lysis = bẻ gãy)

- Mục tiêu: bẽ gãy glucose tạo thành 2 pyruvate

- Đối tượng: Tất cả sự sống trên Trái Đất đều thực hiện quá trình đường phân (Glycolysis)

-Nơi diễn ra: bào tương tế bào

-Chu trình Đường phân(Glycolysis) tạo ra 4 ATP và 2

NADH , nhưng có 2 ATP được dùng trong chu trình,để hoạt hóa glucose nên kết quả tạo thành 2 ATP và 2

Chú ý : Tiến trình này không đòi hỏi O2 và không sản sinh ra nhiềunăng lượng

- Glucose (6C) bẽ gãy thành 2 Aldehyt 3 phosphorglyceric (PGAL) (3C)

- Cần 2 ATP

Giai đoạn 1 của đường phân (The First Stage of Glycolysis):

Giai đoạn 2 của đường phân (The Second Stage of

Glycolysis):

- 2 PGAL(3C) biến đổi thành 2 pyruvates

- Quá trình này tạo ra 4 ATP và 2 NADH.

-Kết quả cuối cùng của Đường phân (Glycolysis) tạo ra 2 ATP

* KREBS CYCLE (citric acid cycle, TCA cycle)

- Mục tiêu: lấy pyruvate và đưa vào chu trình Krebs (Krebs cycle), tạo ra NADH và FADH2.

- Nơi diễn ra: Ty thể (mitochondria)

Sự biến đổi Pyruvate thành Acetyl CoA đi vào

chu trình Krebs

- 2 NADH được sinh ra

- 2 CO2 được giải phóng.

The Krebs Cycle - Krebs Cycle Animation

- 6 NADH, 2 FADH2, 2 ATP được tạo thành.

- 4 CO2 được giải phóng.

Do đó đối với mỗi phân tử glucose

đi vào chu trình Krebs (bao gồm

sự biến đổi ban đầu thành Acetyl

CoA), toàn bộ quá trình sản sinh

Lưu ý, quá trình đường phân

glycolysis sản sinh2 ATP và 2

NADH, vì thế sản phẩm cuối

cùng là 4 ATP và10 NADH

CHUỖI VẬN CHUYỂN ĐIỆN TỬ TRONG QUÁ

TRÌNH PHOTPHORIN HÓA - Electron Transport Phosphorylation (Thẩm thấu hóa học -

Chemiosmosis)

-Mục tiêu: bẽ gãy NADH và FADH2, bơm H+ vàomàng ngoài cùng của ty thể (mitochondria)

- Nơi diễn ra: ty thể (mitochondria)

Trong phản ứng này, tạo ra một gradient được dùng

để sản sinh ATP, hoàn toàn giống như trong lục lạp

Tính thấm proton qua màng ty thể:

Vận chuyển proton có thể thực hiện theo vectơ

„ Sản phẩm cuối cùng của hô hấp hiếu khí (Aerobic Respiration).

„ Glycolysis: 2 ATP

„ Krebs Cycle: 2 ATP

„ Electron Transport Phosphorylation: 32 ATP

‰ Một NADH được sinh ra trong Glycolysis có giá trị 2 ATP (2 x 2 = 4) - 1 NADH có giá trị 3 ATP, nhưng nó tốn 1 ATP để vận chuyển

NADH vào ty thể, vì thế chỉ thu được 2 ATP

từ mỗi NADH sản sinh trong glycolysis

‰ Mỗi NADH được sinh ra trong quá trình

chuyển đổi của pyruvate thành acetyl CoA và Krebs Cycle có giá trị 3 ATP (8

x 3 = 24)

‰ Mỗi FADH 2 có giá trị 2 ATP (2 x 2 = 4)

=> 4 + 24 + 4 = 32

„Sản phẩm năng lượng cuối cùng: 36 ATP.

„Một số sách cho rằng giá trị cực đại là 38 ATP – nó

chỉ có ở Thực vật (Thực vật không dùng 1 ATP để vận chuyển NADH vào ty thể - ở đây không có sự trái

ngược nhau – nên nhớ rằng những con số đó là lý

tưởng Trong thực tế sự sống, không có gì là hoàn

hảo, vì thế bạn sẽ không bao giờ thu được số lượng ATP lớn nhất từ mỗi phân tử glucose.

a2 Trong hô hấp kị khí (Anaerobic

Respiration).

„ Mục tiêu: sản xuất pyruvate, sản sinh ra

NAD+

„ Nơi diễn ra: tế bào chất (cytoplasm)

„ Lên men rượu (Alcohol Fermentation) –

xãy ra ở nhiều loại vi khuẩn (bacteria)

‰ Sản phẩm của quá trình lên men, rượu

(alcohol), là độc đối với cơ thể (organism).

Lên men lactic (Lactic Acid Fermentation) – xảy ra ở cơ thể người

(humans) và các động vật có vú khác (mammals)

Sản phẩm là lactic acid, có hại đối với động vật có vú Điều này đốt cháy da khi hoạt động tích cực.

- Mục tiêu duy nhất của quá trình lên men là làm biếnđổi NADH thành NAD+ (sử dụng trong quá trình đường

phân)

Không thu được năng lượng

Lưu ý sự khác nhau đáng chú ý là - lên men rượu(fermentation) – sản sinh 2 ATP, còn hô hấp hiếu khí

(aerobic respiration) – sản sinh 36 ATP

Do đó, sự tiến hóa (evolution) trong một môi trườnggiàu oxy, làm thuận tiện cho sự tiến hóa thích nghi của hôhấp hiếu khí là chủ yếu trong sự đa dạng của sự sống

Đường phân (Photosynthesis): 6CO 2 + 6 H 2 O >> C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Hô hấp (Respiration): C 6 H 12 O 6 + 6O 2 >> 6CO 2 + 6H 2 O

Lưu ý: tẩt cả các phản ứng này là thuận nghịch, điều này

rất quan trọng kể từ khi Trái đất là hệ kín (closed system).

Tất cả sự sống đều là tập hợp của nhiều nguyên tốkhoáng để làm việc, điều quan trọng là hình thành nên chutrình hiệu quả và bình đẳng

™ Hiệu suất năng lượng (Energy Yields):

B SỰ TỔNG HỢP ATP TRONG QUANG HỢP

„ Diệp lục hấp thu năng lượng ánh sáng mặt trời.

„ Năng lượng được dự trữ trong các phân tử sắc tố dưới dạng năng lượng kích thích và tiếp theo là sự di trú năng lượng vào trong trung tâm phản ứng, là một phân tử diệp lục đặc biệt.

e –

Phân tử diệp lục ở trung tâm phản ứng này, sau khi nhận năng lượng sẽ trở nên bị

kích thích và trở thành chất cho điện tử,

nhường điện tử cho chất nhận electron đầu tiên tham gia vào quá trình quang

phosphoryl hóa.

Tuy nhiên, tùy theo diệp lục ở trung tâm phản ứng khác nhau mà quá

trình vận chuyển điện tử có thể đi theo con đường quang phosphoryl

hóa vòng hay không vòng.

a1 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)

„ Con đường vòng (vòng hở hay vòng không khép kín) thực hiện bởi hệ sắc tố sóng ngắn và cả sóng dài, bao gồm clorophin a có cực đại hấp thụ ở

bước sóng λ< 680nm và các sắc tố phụ khác

„ P680 là trung tâm phản ứng của phản ứng sáng 2 Chất nhận điện tử đầu tiên của PSII là C550 (một chất cho đến nay cũng chưa xác định chắc chắn)

„ 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 giàu 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 + n Pi→ nATP + nH2O

a2 Quang Phosphoryl hóa không vòng (Noncyclic Photophosphorylation)

H2O + ADP + Pi +2NADP + ATP +2NADPH + ½ O2

Enzym⎯→

⎯hν

„ 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 + 2Pi + 2NADP+→ 2ATP + 2NADPH + O2.

a 3 Hiệu quả năng lượng:

* 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) x 100% = 22%

Hiệu quả năng lượng của quang

phosphoryl hóa không vòng cao hơn so

với quang phosphoryl hóa vòng

„ * 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%.

* Sự khác nhau giữa hai quá trình quang Phosphoryl hóa

Quang Phosphoryl hóa vòng (Cyclic photophosphorylation)

‰ Điện tử được vận chuyển quay vòng Phosphoryl hóa ADP

thành ATP bằng con đường hóa thẩm thấu

‰ Không tạo thành carbonhydrat

Quang phosphoryl hóa không vòng ( Noncyclic photophosphorylation)

‰ Điện tử được chuyển hóa từ sự phân ly nước

‰ Giải phóng ra Oxy phân tử

‰ Tạo ATP

‰ Tạo Carbonhydrat là NADPH (chất nhận e cuối cùng) để tham

gia vào chu trình Calvin

‰ Sử dụng P700 và P680

C Liên quan giữa quá trình dị hóa (Catabolic Processes) – Quá trình Oxy hóa (Beta Oxidation)

„ Chất béo (Fats consist) bao gồm thành phần chính

là glycerol với 2 hay 3 acid béo (fatty acids) liên kết với nó

„ Cơ thể hấp thụ chất béo sau đó bẽ gãy liên kết giữa acid béo và glycerol

„ Glycerol được biến đổi thành glyceraldehyde

phosphate, giai đoạn trung gian của glycolysis

„ Acid béo bẽ gãy thành hợp chất gồm 2C và sau đó biến đổi thành acetyl CoA

‰ 1 acid béo 8C có thể tạo thành 4 acetyl CoA

‰ 1 acetyl CoA có giá trị 12 ATP (3 NADP, 1 FADH2, 1 ATP)

‰ Vì thế, 1 acid béo ngắn có giá trị 48 ATP, một acid béo với

độ dài 3 chuỗi tạo thành 144 ATP.

‰ Điều này giải thích vì sao chất béo là nguồn năng lượng tốt

và khó tiêu hao nếu bạn muốn giảm cân.

„ Tế bào động vật (Animal cells) và tế bào thực vật

(Plant cells) đều chứa ty thể (mitochondria)

‰ Tuy nhiên, tế bào động vật chứa nhiều ty thể hơn tế bào

„ ATP sản sinh từ ty thể chỉ được sử dụng khi thực

vật không thể sản sinh ATP trực tiếp từ phản ứng

trong pha sáng (light-dependent reactions)

D So sánh giữa Thực vật (Plants) và Động vật (Animals)

về sự tổng hợp ATP:

4 QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN ATP:

„ Một tính chất quan trọng của phân tử ATP là dễ

biến đổi thuận nghịch để giải phóng hoặc tích trữ

năng lượng Khi ATP thủy phân nó sẽ tạo ra hai

ADP và Pi - phosphate vô cơ:

enzyme

ATP + H2O Æ ADP + Pi + năng lượng

„ Nếu ADP tiếp tục thủy giải sẽ thành AMP Ngược lại ATP sẽ được tổng hợp nên từ ADP và Pi nếu có đủ năng lượng cho phản ứng:

enzyme

ADP + Pi + năng lượng Æ ATP + H2O

III CHU TRÌNH ATP

KẾT LUẬN

„ Adenosinetriphosphate là một chất chế biến và vận

chuyển năng lượng Nó được tạo thành trong quá

trình phân giải các chất khác nhau như oxy hóa cácchất trong ty thể, đường phân và lên men, quang hợp

ở diệp lục của thực vật xanh và các quá trình vận

chuyển ion ở vi khuẩn,… Ngược lại, ATP cũng là chấtcung cấp năng lượng cho các quá trình tổng hợp của

cơ thể sinh vật Đó là các phản ứng gắn liền với phângiải phân tử ATP, công co cơ, sinh tổng hợp các chấtprotein, axit nucleic…cũng như sản sinh và duy trì tínhphân bố không đều các chất giữa tế bào với môi

trường xung quanh