bài giảng sinh học đại cương ban học tập liên chi hội khoa thú y

Lên men axit lactic... Lên men axit lactic..[r]

Please purchase a personal license.

Chương 2 Trao đổi chất và

năng lượng sinh học

2.1 Năng lượng tự do và năng

lượng hoạt hóa

2.2 Oxy hóa khử sinh học và

4 Quang hợp

4.1 Tổng quan4.2 Hệ quang hóa-Sự vậnchuyển điện tử trong quanghợp

4.3 Chu trình C3

4 Chu trình C4

Khái niệm

Trao đổi chất: Là quá trình phân giải &

tổng hợp các chất trong thành phần của

TB Tập hợp các phản ứng hoá học diễn

ra trong cơ thể sống (TB); đảm bảo cho

sự sinh trưởng, sinh sản & các h/đ sống

của TB

Trao đổi năng lượng Sự chuyển hoá Q

từ dạng này sang dạng khác

Sự dị hoá: Quá trình phân giải các hợp

chất hữu cơ (phức tạp đơn giản); thải

năng lượng.

Sự đồng hoá: Quá trình xây dựng cấu

trúc & các chất (phân tử hợp chất);thu

năng lượng.

Đồng hoá tự dưỡng & đồng hoá di

dưỡng

1 Sự trao đổi chất qua màng tế bào

1.1 Sự vận chuyển các chất qua màng

a Sự vận chuyển chất qua màng theo con đường

khuếch tán:

 Chất được v/c qua màng theo quy luật vật lý, hóa

học;không tiêu tốn năng lượng;tốc độ phụ thuộc tổng Gradien giữa hai phía của màng.

 2 cơ chế:

 Khuêch tán đơn giản

 Khuếch tán liên hợp

 Khuếch tán đơn giản:

Qua màng lipit: V/C các chất có kích thước nhỏ, không tích điện, tan trong lipit

Qua kênh protein: Là Pr xuyên màng, chứa nước, đk: 0,8nm 2 loạikênh: loại luôn mở + loại lúc đóng lúc mở (mở khi được kích

thích)

1.1 Sự vận chuyển các chất qua màng

a Sự vận chuyển chất qua màng theo con đường khuếch tán

 Khuếch tán liên hợp (khuếch tán nhanh): vc chất nhờ chất

1.1 Sự vận chuyển các chất qua màng

b Sự vận chuyển chủ động các chất qua màng (Tích cực):

Định nghĩa: Là sự v/c các chất qua màng thông qua

kênh hoặc chất mang ngược với gradient và có tiêu thụ năng

 Bơm ion Na+- K+ (Na+_ K+ ATPaza):

Là tổ hợp Pr xuyên màng, làm nvụ duy trì sự chênh lệch nồng độ Na+, K+ giữa 2 phía của màng (Na+ ngoài > trong; K+ ngược lại)

Hđộng: Bơm hđ liên tục, cứ tiêu tốn 1ATP, bơm đẩy 3 Na+ ra ngoài và hút 2 K+ vào trong TB

1.1 Sự vận chuyển các chất qua màng

b Sự vận chuyển chủ động các chất qua màng (Tích cực):

 Bơm proton: Phân bố: màng trong ty thể, màng

tylacoit Gồm 2 kênh proton chuyên hoá xuyên

màng

Kênh 1: Bơm chủ động H+, tạo chênh lệch [H+]

giữa 2 phía của màng, có tiêu tốn NL.

Kênh 2: Cho H+ khuếch tán trở lại theo chiều

gradient; tổng hợp ATP.

 Kênh liên kết: Chất v/c (a.amin, đường), l/k với ion

(Na) – có lợi thế về dốc nồng độ theo phương thức

đồng chuyển

1.2 Sự trao đổi thông tin qua màng

xuyên màng Đầu ngoài lk

đặc trưng với f.tử tín hiệu,

gây ra sự biến đổi đầu trong

làm phát động những hiệu

quả sinh lý của tế bào (kích

hoạt Enzym, hoạt hoá gen…)

2 Năng lượng và sự trao đổi chất của tế bào

2.1 Năng lượng tự do và năng lượng hoạt hóa

a Năng lượng tự do :

 Là năng lượng có ích, có thể dùng để sinh ra công trong điều

kiện đẳng nhiệt, đẳng áp Đây là năng lượng tạo ra lực liên kếthoá học giữa các chất, cung cấp cho các hoạt động sống của tếbào, cơ

b Năng lượng hoạt hóa :

Năng lượng tối thiểu cần thiết để phản ứng hóa học

xảy ra, là hàng rào năng lượng.

Phản ứng toả nhiệt năng lượng hoạt hoá đòi hỏi ít

Phản ứng thu nhiệt năng lượng hoạt hoá cần nhiều hơn

2.2 Oxy hoá-khử & Thế Oxy hoá sinh học

H2 + ½ O2 →2 H+ +O2- → H2O (pư oxh-kh)

-> Như vậy, thực chất phản ứng oxy hoá khử là sự vận chuyển

điện tử từ hệ oxy hoá khử này đến hệ oxy hoá khử khác

- Trong hệ thống sống quá trình hô hấp tế bào, quá trình

quang hợp diễn ra bằng nhiều phản ứng oxy hoá khử kế tiếp nhau, chúng quan hệ với nhau gọi là sự oxy hoá khử sinh học.

b Thế oxy hoá khử (E):

• Thế oxy hoá khử (E) của mỗi chất là ái lực đối với điện tử của chấtđó

• E<0 -> có tính ái điện tử thấp, có xu hướng nhường điện tử;

• E>0 -> có tính ái điện tử cao, có xu hướng nhận điện tử

• Sự truyền điện tử từ hệ oxy hoá khử có E<0 đến hệ oxy hoá khử cóE>0 diễn ra tự phát và thải năng lượng, ngược lại thu năng lượng.Thế oxy hoá khử chuẩn sinh học (Eo’): Là E đo trong điều kiện

chuẩn sinh học (25oC, 1at, pH=7, 1mol/l)

Ví dụ: Eo’(H2/2H+) = - 0,42V;

Eo’(O2-/1/2O2) = + 0,81V; Eo’(Fe2+/Fe3+) = + 0,77V

2.2 Oxy hoá-khử & Thế Oxy hoá khử sinh học

3.2 Oxy hoá-khử & Thế Oxy hoá khử sinh học

b Thế oxy hoá khử (E):

Sự biến đổi năng lượng tự do trong phản ứng oxy hoá khử ở điều kiệnchuẩn sinh học (∆Go’)

Ý nghĩa

• Thông qua các phản ứng oxy hoá khử trong hô hấp tế bào và quang hợp, điện tử được chuyển từ phân tử này sang phân tử khác và qua đó năng lượng được dẫn truyền giữa các phân tử.Như vậy, phản ứng oxy hoá khử đóng vai trò chủ yếu trong dòng năng lượng qua các hệ sinh học.

∆

∆Go’= - ∆∆∆Eo’ n F ∆Go’: sự biến đổi NLTD∆Eo’: hiệu thế oxy hoá khử của 2 hệ

N: số điện tử được chuyển/mol F: số Faraday 96500cu/mol

2.3 Vận chuyển điện tử trong hô hấp tế bào

- Quá trình truyền điện tử được thực hiện

bằng nhiều phản ứng oxy hoá khử kế

tiếp nhau (sự oxy hoá khử sinh học)

- Một số chất vừa vận chuyển điện tử vừa

vận chuyển H+: coenzim Q (CoQ) và

-> giải phóng năng lượng.

- Quá trình vận chuyển điện tử hợp diễn với

phản ứng photphoryl hoá Năng lượng

giải phóng ra trong các phản ứng truyền

điện được nạp vào liên kết cao năng

Toàn bộ quá trình tạo được 3 ATP từ

ADP

Sơ đồ vận chuyển điện tử

Tên gọi: Cơ chất hoặc kiểu

f.ưng + đuôi aza

b Cấu tạo:

Bản chất là protein, có cấu

trúc bậc 1,2,3 và bậc 4

Mỗi loại enzim có cấu trúc

không gian đặc thù riêng, có

trung tâm hoạt động - là vị trí

liên kết với cơ chất

Cofactor: là chất vô cơ (Fe, Cu, Mn,

Ca, Zn…) hoặc là chất hữu cơ

(Coenzim: VD vitamin) -> liên kết

với apoenzim khi hđ.

Apoenzim - quy định tính đặc hiệu

của enzim

Cofactor - làm tăng hoạt tính xúc tác

của enzim.

3.4 Enzym

c Cơ chế h/đ

Nguyên tắc: E làm giảm NLHH của phản ứng -> tăng tốc độ của phản ứng.

Các bước:

• Cơ chất (S) lk với trung tâm hoạt động của enzim (E), tạo phức trung gian ES

• Trên cơ sở tạo phức trung gian, E tiếp xúc trực tiếp với các lk của cơ chất làm méo mó các liên kết của cơ chất-> cần ít NL để phá vỡ (cơ chất được hoạt hoá)

• Pư hoá học diễn ra trên cơ chất đã hoạt hoá, tạo sản phẩm (P) và giải phóng enzim (E).

Sơ đồ: E + S ↔ ES ↔ ES* ↔ E + P

3.4 Enzym

c Cơ chế h/đ

- Để tạo phức trung gian ES phải

có sự phù hợp giữa Enzim và cơ

chất -> 2 giả thuyết:

Thuyết ổ khoá-chìa khoá:

Enym gắn với cơ chất như

chìa khóa gắn khít với ổ

3.4 Enzym

d Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính của enzim

 Nồng độ enzim:

Trong điều kiện dư thừa cơ

chất, nếu tăng nồng độ enzim

3.4 Enzym

d Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính của enzim

 Nồng độ cơ chất

Với nồng độ enzim không dổi Khi tăng

nồng độ cơ chất từ thấp đến cao thì ban đầu

tốc độ phản ứng tăng nhanh sau chậm dần

rồi không tăng nữa Khi đó, tốc độ phản ứng

đạt tối đa (Vmax), tất cả các phân tử enzim

đã bão hoà cơ chất Tốc độ phản ứng phụ

3.4 Enzym

d Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính của enzim

 Nhiệt độ

Trong giới hạn nhiệt độ mà

enzim không bị biến tính, nhiệt

trên 700C enzim bị mất hoạt

tính Ở 00C hoặc thấp hơn hoạt

tính của enzim giảm, nhưng có

thể phục hồi khi đưa về nhiệt độ

thích hợp

của enzim và sự ion

hoá của cơ chất

2.5 Sự tổng hợp ATP

 ATP có 2 l/k cao năng ở

ATP + H2O <-> ADP + Pi + 7,3Kcal

ATP được tổng hợp bởi các

f.ứng Phosphoryl hoá

Cơ chế hoá thấm ở màng

trong Ty thể & màng túi

Thylacoit

b-Tổng hợp ATP ở màng trong ty thể

 Cơ chế hoá thấm: ATP được tổng hợp do chênh H+nhờ bơm từtrong ra ngoài màng trong bởi sự v/c e-

Gđ1: Tạo gradient điện hoá của H+ qua màng

NADH+H + và FADH2 được tạo ra trong xoang ty thể, mạng

H + và e - tới hệ truyền điện tử ở màng trong ty thể

Điện tử được vận chuyển từ mức năng lưọng cao đến mức

năng lượng thấp -> giải phóng NL

NL dúng để bơm H+: chất nền -> ngăn ngoài nhờ kênh

Proton 1 -> gradient hoá điện xuyên màng

Khi xuất hiện gradient điện hoá của H+ qua màng trong, H+ khuếch tán xuôi theo gradient qua kênh Proton 2 vào trong chất nền, giải phóng NL, ATP được tổng hợp từ ADP và Pi nhờ sự có mặt của E ATP synthetaza trên kênh proton 2

Tổng hợp ATP

Tổng hợp ATP (So sánh)

3 Hô hấp tế bào

3.1 Khái quát

H2 tế bào là q.trình oxy hoá

các chất hữu cơ và giải phóng

năng lượng tích luỹ trong

đó.Cơ chất bị oxy hoá dần và

hoàn toàn

Hô hấp kỵ khí (Lên men):

Q.trình xảy ra không hoàn

toàn, ko có sự tgia của O2,

s.fẩm là chất hữu cơ

Gồm 2gđ: Đường phân, lên

men

Hô hấp hiếu khí: Cơ chất được

fân giải hoàn toàn nhờ O2,

toàn bộ Q được giải phóng

Các gđ: Đường phân, oxy hoá

Pyruvat, chu trình Krep

C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O 6CO 2 + 12H 2 +

12H 2 + + 6O 2 12H 2 O

C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O ∆G’0 =-2875Kjul/mol

C2H5OH + H2O CH3COOH + 2H2+2H2+ + O2 2H2O

C2H5OH + O2 CH3COOH + H2O ∆G’0=-455Kjul/mol

b Sự Đường phân (Glycolysis)

 Đặc điểm:

• Gđ đầu của hh Glucozơ

• Xảy ra trong TBC

• Không có O2 tham gia

• Biến đổi 1 Glucoza thành 2 f.tử

Pyruvat

• Q được giải phóng ở dạng ATP

b Sự Đường phân (Glycolysis)

b Sự Đường phân (Glycolysis)

 Diễn biến: 2 gđ

+ Gđ fân giải (Pha giải phóng năng

lượng): ATP được tạo thành theo

cách bản thể (sự phosphoryl hoá cơ

c Chu trình Kreb (Hô hấp hiếu khí)

 Đặc điểm:

• Xảy ra trong đ/k có O2 ở trong ty

thể

Mỗi Pyruvat từ đường fân bị oxy

hoá hoàn toàn và g.fóng toàn bộ Q

GĐ1:Oxy hoá Pyruvat Pyruvat bị

biến đổi thành Acetyl CoA, CO2

được tách ra, H+ chuyển tới NAD+

-> NADH+H+

GĐ2: Oxy hoá Acetyl CoA

(C.trình Kreb) Gốc Acetyl kết hợp

với Oxaloacetat (C4) tạo thành

Citrat (C6); sau đó bị khử C để tái

tạo Oxaloacetat khép kín chu trình

Tổng kết NL của hô hấp hiếu khí (Phân giải hoàn toàn 1 ptử Glucozơ)

Gđ đường phân: 2ATP, 2 NADH+H+, 2Pyruvat

Oxy hoá Pyruvat: 2NADH+H+, 2 Axetyl-CoA

Chu trình Krep: 6NADH+H+, 2FADH2, 2ATP

Cứ 1NADH+H+ đến màng trong ty thể thì ttổng hợp

được 3 ATP, 1 FADH2 t.hợp được 2 ATP

Vậy: 10NADH+H+ ->30ATP

2FADH2 -> 4ATP Tổng hợp mức cơ chất -> 4ATP

-> Tổng: 38ATP

CO2

e Sự lên men (Hô hấp kỵ khí)

 Đ2: F.giải Glu Trong đ/k thiếu O2 Các f.ứng ngừng khi chất nhận đãthành dạng khử (Thiếu O2 làm chất nhận e- cuối)

 Lên men rượu : Xảy ra ở nấm men, TB thực vật

Bước 1: Axit Pyruvic bị khử nhóm cacboxyl thành Axetaldehyt

CH3COCOOH - > CO2 + CH3CHO

Bước 2: Axetaldehyt bị khử bởi NADH+H+ thành rượu Etylic và táisinh NAD+

CH3CHO + NADH+H+ -> CH3CH2OH

Kết quả:

- Từ 1 Glucozơ cho 2 rượu Etylic, 2 CO2, 2ATP, phần lớn Q còn ở sảnphẩm, một số ít được g.fóng ở dạng nhiệt

Ý nghĩa:

Cung cấp NL cho tế bào trong đk ko có O2

Cung cấp nhiệt sưởi ấm cho TB

ƯD: sxuất bia, rượu…

Lên men r
u

Lên men axit lactic

• Xảy ra ở Vkhuẩn, TB động vật trong đk thiếu O2

• 1 Pyruvic bị khử bởi NADH+H+ thành 1 axit lactic, tái tạoNAD+

CH3COCOOH +NADH+H+ -> CH3CHOHCOOH

Sản phẩm: Từ 1 glucose cho 2 axit lactic, 2 ATP và NL dướidạng nhiệt

Ý nghĩa:

Cung cấp NL cho tế bào trong đk ko có O2

Cung cấp nhiệt sưởi ấm cho TB

ƯD: sữa chua, muối dưa cà…

TB động vật (thiếu O2) tạo a.lactic, sau đó chuyển về gan biến đổi thành pyruvat; nếu O2 được cung cấp kịp thời sẽ biến đổi thành pyruvat và đi vào chu trình Kreb.

Lên men axit lactic

4 Quang hợp

4.1 Tổng quan.

- Định nghĩa: QH là QT tổng hợp chc

nhờ NL ánh sáng do các sắc tố QH,

hay là quá trình chuyển hoá quang

năng thành hoá năng trong chc

- Bản chất của quang hợp là quá trình

khử CO2 thành CH2O, nguồn

- Toàn bộ quá trình chia làm 2 pha: pha

 Pha sáng: gồm các pư liên quan trực tiếp với ánh sáng, xảy ra ở màng thylacoit

NLAS được các sắc tố quang hợp hấp thụ thực hiện phản ứng quang hoá làm bật điện tử từ trung tâm phản ứng đi vào hệ truyền điện tử.

Phân ly H2O: giải phóng O2, cung cấp e- cho hệ truyền điện tử, H+ cho hoá thấm và để khử tạo NADPH+H+

Kết quả của sự vận chuyển điện tử: tạo coenzim khử

NADPH+H+, giải phóng năng lượng tổng hợp ATP

bằng hoá thấm.

Sản phẩm của pha sáng: ATP, NADPH+H+, O2; trong

đó ATP và NADPH+H+ được dùng cho các phản ứng

pha tối, O2 giải phóng ra môi trường.

4 Quang hợp

4.1 Tổng quan

 Pha tối:

Bao gồm các phản ứng không phụ thuộc trực tiếp vào

ánh sáng, chỉ sử dụng những sản phẩm của pha sáng, xảy

ra trong chất nền của lục lạp.

Sử dụng ATP và NADPH+H+ để khử CO2 thành CH2O, tổng hợp hydratcacbon

Phương trình tổng quát

6 CO2 + 12 NADPH+H+ + 18 ATP → C6H12O6 +

12NADP+ + 6 H2O + 18 (ADP + Pi)

4 Quang hợp

4.1 Tổng quan

4.2 Hệ quang hoá-Sự vận chuyển điện tử trong QH

a Đặc điểm chung

Hệ quang hóa: Hệ gồm các

protein và phức hệ sắc tố quang

hợp nằm trên màng túi Thylacoit

Sắc tố thu và sắc tố trung tâm

Hệ I (PSI): Clorofill a1 (P700) ở

trung tâm, dễ bị kích thích,

Hệ II (PSII): Clorofill a2 (P680)

ở trung tâm, nhiều Clob hơn

Năng lượng được truyền tới trung

tâm f.ứng-thực hiện các q.trình

oxy hoá khử

4.2 Hệ quang hoá-Sự vận chuyển điện tử trong QH

b Quang vận chuyển điện tử thẳng

Điện tử được vận chuyển trong cả 2 hệ quang

hợp I và II, có quang phân ly nước.

sắc tố trung tâm P680 -> kích thích -> e- dc

được nâng lên mức NL cao, bật ra khỏi phân tử sắc tố -> chất nhận đầu tiên -> plastoquinon → xitocrom b → xitocrom f → plastocianin và

chuyển cho P700.

e- ở (P680) được bù từ quang phân ly nước.

4.2 Hệ quang hoá-Sự vận chuyển điện tử trong QH

b Quang vận chuyển điện tử thẳng

Ở PSI: Các sắc tố QH hấp thu NLAS, P700 ở trạng thái kích thích, e- được nâng lên mức NL cao → bật ra khỏi trung tâm pư và được tiếp nhận bởi chất nhận điện tử đầu tiên của PSI, sau đó điện tử chuyển cho Fd → NADP+ tạo NADPH+H+ Điện tử bù cho P700 được chuyển từ PSII sang.

Toàn bộ quá trình này có 2 lần điện tử được nâng lên mức năng lượng cao nhờ năng lượng AS, khâu giữa điện tử về trạng thái ban đầu (thải năng lượng tạo ATP) Có quang phân ly nước (H2O → 2H+ + 1/2O2 + 2e) Hình thành

coenzim khử NADPH+H+ ( NADP+ + 2H+ +2e →

NADPH+H+)

Sản phẩm của quá trình là: O2, NADPH+H+, ATP.

4.2 Hệ quang hoá-Sự vận chuyển điện tử trong QH

c Quang vận chuyển điện tử vòng

Điện tử được vận chuyển trong hệ quang hợp I (PSI), không cóquang phân ly nước

Từ P700 (PSI) điện tử được nâng lên mức năng lượng cao nhờnăng lượng AS, bật ra khỏi phân tử sắc tố chuyển đến chất

nhận đầu tiên của hệ quang hợp I, sau đó chuyển cho

Feredoxin → phức hệ xitocrom → plastocianin rồi lại trở về

P700

Trong quá trình này khi điện tử trở về mức năng lượng ban

đầu, năng lượng giải phóng ra dùng để tổng hợp ATP

Sản phẩm duy nhất của quá trình là ATP, không có quang

phân ly nước, không tạo ra NADPH+H+ Vì vậy, quá trình

quang photphoryl hoá vòng được sử dụng để tạo thêm ATP

e

e e

4.3 Chu trình Calvin (Chu trình C3)

Chất nhận CO2 đầu tiên là Ribulozo Diphotphat (RuDP), sp đầu tiên là axit photphoglyxeric (APG) có 3C 3 gđ:

APG, nhờ xúc tác của enzim RuDPcacboxylaza

(PGAL) với sự tham gia của NADPH+H+ và ATP

loạt phản ứng tái tạo lại đường RuDP, khép kín chu trình

Ở cuối giai đoạn 2: Cứ 2 phân tử PGAL thứ 6 đi ra khỏi chu

trình, tổng hợp được 1 phân tử Glucozơ (6C)

4.4 Chu trình Hatch-Slack (Chu trình C4)

Là chu trình cố định CO2 gặp ở thực vật nhiệt đới và cận nhiệt đới

Dễn ra ở 2 loại tế bào: tế bào thịt lá và tế bào bọc mạch

Giai đoạn Cacboxyl hoá: CO2 vào tế bào thịt lá chuyểnthành HCO3- , kết hợp với photphoenol pyruvat (PEP)

có 3C, tạo thành oxaloaxetat có 4C là chất không ổnđịnh

Giai đoạn khử: oxaloaxetat được khử bởi NADPH+H+ tạo thành Malat (4C) là chất ổn định, Malat đi vào tế bàobọc mạch

Giai đoạn tái tạo: Malat bị decacboxyl hoá và oxy hoátạo pyruvat, CO2 , NADPH+H+ Trong đó pyruvat quay

về tế bào thịt lá tái tạo lại PEP với sự tham gia của ATP, khép kín chu trình Còn NADPH+H+ và CO2 đi vào chutrình C3 tạo C6H12O6

4.4 Chu trình Hatch-Slack (Chu trình C4)