Sinh học đại cương- Chương 2: Trao đổi chất và năng lượng sinh học

Có 2 hình thức: Sự khuyếch tán (v/c bị động) và vận chuyển chủ động a. Sự 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 Gradient giữa hai phía của màng. → • Khuyếch tán qua màng lipit: V/C các chất có kích thước nhỏ, không tích điện, tan trong lipit (O2, CO2 benzen, alcol, ethylen..). • Khuyếch tán qua kênh protein: Đk 0,8-1nm, 2 loại kênh là loại luôn mở và loại mở trong điều kiện nhất định (thay đổi điện thế, kích thích)...

Chương 2 Trao đổi chất và năng lượng sinh học

I Sự trao đổi chất và thông tin qua màng

1 Sự vận chuyển chất qua màng

2 Sự trao đổi thông tin qua màng

II Sự trao đổi năng lượng của tế bào

1 Năng lượng tự do và năng lượng hoạt

I Sự trao đổi chất và thông tin qua màng tế bào

1. Sự vận chuyển các chất qua màng →

Có 2 hình thức: Sự khuyếch tán (v/c bị động) và vận chuyển chủ động

a Sự 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 Gradient giữa hai phía của màng →

• Khuyếch tán qua màng lipit: V/C các chất có kích thước nhỏ, không tích

điện, tan trong lipit (O2, CO2 benzen, alcol, ethylen )

• Khuyếch tán qua kênh protein: Đk 0,8-1nm, 2 loại kênh là loại luôn mở và

loại mở trong điều kiện nhất định (thay đổi điện thế, kích thích) →

• Khuếch tán nhờ protein mang: diễn ra nhanh, đặc hiệu và bị giới hạn về

tốc độ →

A + X → AX → X → A

Vận chuyển bị động ←

Khuyếch tán nhanh ←

Kênh protein đóng, mở ←

←

b Vận chuyển chủ động (Tích cực): Sự v/c các chất qua màng không phụ thuộc

nồng độ, ngược Gradient, cần cung cấp năng lượng, để duy trì trạng thái chênh lệch nồng độ các chất giữa 2 phía của màng.

+ Bơm ion Na-K Hai phía của màng TB luôn duy trì sự chênh nồng độ các ion

(Na ngoài >trong; K ngược lại) do bơm chủ động Na ra & K vào.1 ATP v/c được 3 f.tử Na & 2 f.tử K →

+ Bơm proton (màng trong ty thể và màng thylacoit) Gồm 2 kênh protein

chuyên hoá xuyên màng →

- Kênh 1: Proton được bơm chủ động qua màng nhờ E cao năng;tạo nên

gradient.

- Kênh 2: Proton khuếch tán trở lại qua kênh đ/b; tổng hợp ATP.

+ Kênh liên kết Chất v/c (a.amin, đường) nhờ l/k với ion có lợi thế dốc nồng độ,

qua kênh protein →

Bơm ion Na+, K+ ←

→

Kênh liên kết ←

2 Sự tiếp nhận thông tin qua màng TB →

• Trên màng tb có protein thụ quan tiếp nhận thông tin → điều chỉnh h/đ sống

• Thông tin dưới dạng những tín hiệu hóa học (nội tiết-hormone; cận tiết – t/b phát TT và t/b nhận TT cạnh nhau; tự tiết)

• Thụ quan là những pro xuyên màng, có đầu ngoài khớp với các f/tử tín hiệu, đầu trong hướng vào môi trường nội bào →

• Cơ chế: F/tử tín hiệu + đầu ngoài thụ quan, dẫn đến biến đổi đầu trong làm hoạt động của tế bào thay đổi →

• Ý nghĩa: Thực vật tạo ra tính hướng Động vật tiếp nhận tín hiệu điều khiển, điều hòa của TK, hormone, nhận biết được chất lạ để sản sinh ra kháng thể đặc hiệu… Các tb đứng gần nhau có thể trao đổi thông tin, nhận ra nhau trên

cơ sở đó tạo thành mô và cơ quan.

Tiếp nhận thông tin ←

→

II Sự trao đổi năng lượng của tế bào

1 Năng lượng tự do và năng lượng hoạt hóa

• Năng lượng tự do: Năng lượng của hệ thống cókhả năng sinh công trong điều kiện đẳng nhiệt, đẳng áp.

• Khi F/ư hóa học xảy ra gây biến đổi năng lượng

Trong TB: ∆G= ∆H -T.∆S (G:Nl tự do; H:NL tổng số; S: entropy)

∆G < 0 : F.ứng tỏa nhiệt; ∆G > 0 : F.ứng thu nhiệt.

Năng lượng hoạt hóa

• Năng lượng họat hóa: Năng lượng cần

thiết để phản ứng hóa học xảy ra.

• Hàng rào năng lượng: Mức năng lượng

cần thiết để phản ứng xảy ra.

• Phản ứng tỏa nhiệt đòi hỏi năng lượng

hoạt hóa ít hơn phản ứng thu nhiệt

• Trong TB enzim là chất xúc tác có vai

trò làm giảm năng lượng hoạt hóa

2 Enzim

• H/C xúc tác sinh học, phần lớn có b/c

protein

• Làm giảm NL hoạt hóa của f ư

• Tên: Cơ chất hoặc kiểu f.ưng + aza

• Cấu tạo:

- Enzim protein dạng hình cầu;các bậc cấu

trúc; trung tâm hoạt động.Có 2 nhóm

Enzim (tiếp)

• Cơ chế hoạt động →

• Nguyên tắc: Giảm NL hoạt hóa làm tăng tốc độ f/ư

• Các bước cơ bản

- Cơ chất (S) liên kết với TT hoạt động của E tạo phức trung gian

ES Phải phù hợp giữa E và S, được giải thích = 2 giả thuyết: Ổ khóa – chìa khóa của Fishser,1894 và khớp cảm ứng của

Kosland,1958.

- E làm lỏng lẻo các LK của cơ chất

- F/ư xảy ra, tạo SF và giải phóng E

E + S → ES → ES* → E + P

Cơ chế tác động của enzim ←

• Tính đặc hiệu của enzim: Có 2 kiểu

• Đặc hiệu cơ chất: Mỗi enzim chỉ xúc tác chuyển hóa cho 1 hoặc một số cơ chất nhất định Có thể đặc hiệu tuyệt đối hoặc tương đối

• Đặc hiệu kiểu f/ư: Mỗi enzim chỉ xúc tác chuyển hóa cho một kiểu phản ứng nhất định

• Tính đặc hiệu của E chịu sự chi phối của cấu hình và nhóm a.a phân bố ở trung tâm hoạt động

• Các E thường hoạt động phối hợp với nhau tạo thành chuỗi f/ư

• Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính của E

- Nồng độ enzim: Trong ĐK dư thừa cơ chất

V=k.[E]

V: tốc độ f/ư K: hằng số xúc tác của E [E]: nồng độ E

- Nồng độ cơ chất: Với nồng độ E nhất định →

V= Vm.[S]/(Km+[S]) Trong đó: Vm là tốc độ tối đa của f/ư

Km là hằng số Michealis [S] là nồng độ cơ chất

←

Chất kìm hãm ←

3 Sự oxy hóa khử và thế oxy hóa khử sinh học

* Sự Oxy hóa khử

- F ư oxh là f ư cho e, chất cho là chất khử.

- F ư khử là f ư nhận e, chất nhận e là chất oxh

H2 → 2H+ +2e (F/ư oxh)

1/2O2 + 2e → O2- (F/ư khử)

H2 + 1/2O2 → 2H+ + O2- → H2O (F/ư oxhk)

* Thế oxhk

- Ái lực đối với điện tử (E)

- E<0 thấp, có xu hướng nhường e

- E>0 cao, có xu hướng nhận e

- Truyền e từ E<0 đến E>0, tự phát + thải NL.Ngược lại

- Thế oxhk sinh học (E’o):t0=250C; P=1at;pH=7; M=1mol/lit

- H2/2H+ (-0,42v) ; O2-/1/2O2 (+0,81v);

Fe2+/Fe3+ (+0,77v)

* Ý nghĩa: Thông qua f/ư oxhk năng lượng được dẫn truyền giữa các phân tử tạo dòng năng

lượng qua các hệ sinh học

ΔG0’=- ΔE0’.n.F

4 Sự vận chuyển điện tử trong hô hấp TB

→

• Năng lượng dùng cho hoạt động sống của TB được lấy từ các f/ư oxhk, e được dẫn truyền trong hệ truyền điện tử phân bố ở màng trong ty thể = nhiều f/ư oxhk kế tiếp nhau, chất nhận điện tử cuối cùng là O2.

• Thành viên của hệ truyền e: Coenzim Q (Ubikinon) và các xytocrom có chứa nhóm hem, trung tâm hem là ion Fe

• Được sắp xếp theo thứ tự tăng dần của thế oxhk (từ -0,32V đến + 0,81V) V/c

e kèm theo giải phóng năng lượng từ từ (2e đc v/c gp 52kcal) được nạp vào ATP (tạo 3 lk cao năng =22kcal); hiệu suất 40%

• Con đường đi của e: Từ cơ chất (thức ăn) → NADH → Hệ truyền điện tử → O2.

Sơ đồ hệ vận chuyển điện tử →

-0,32V

+ 0,81V

5 Chu trình ATP

a- ATP - Adenosin triphosphat →

• ATP có 2 l/k cao năng ở nhóm ngoài (∆G= -7,3 Kcal) dễ bị thuỷ phân, giải phóng Q.

• ATP được tổng hợp bởi các f.ứng Phosphoryl hoá theo 2 cơ chế: Phosphoryl hóa mức cơ chất và cơ chế hóa thấm

* Phosphoryl hóa mức cơ chất: năng lượng tổng hợp ATP lấy trực tiếp từ phản ứng biến đổi cơ chất

VD: PEP (Phospho enol pyruvat) + ADP → Pyruvat + ATP

* Cơ chế hoá thấm ở màng trong Ty thể & màng túi Thylacoit (Peter Mitchell, 1961) Cơ chế này gồm 2 gđ: Sản sinh, tích lũy năng lượng dưới dạng

gradient điện hóa của H+ và tổng hợp ATP

• b Cơ chế hóa thấm tổng hợp ATP ở màng trong ty thể : gồm 2 giai đoạn →

• g/đ1 : N/lượng được sản sinh và tích lũy dưới dạng gradient điện hóa của H+

Từ cơ chất e và H+ được tách và được NAD+ và FAD tiếp nhận tạo NADH+H+

và FADH2 Các coenzim khử này truyền e cho hệ truyền e và H+ được bơm từ trong chất nền ra ngoài màng trong tạo gradient điện hóa của H+

• g/đ 2: Khi xuất hiện gradient điện hóa của H+ qua màng trong, H+ được

khuyếch tán xuôi theo gradient qua kênh protein, giải phóng năng lượng để tổng hợp ATP từ ADP + Pi= f/ư phosphoryl hóa với sự xúc tác của enzim

ATP ←

Sơ đồ cơ chế hóa thấm ở màng trong ty thể

←

So sánh tổng hợp ATP ở màng trong ty thể và

màng thylacoit

III Hô hấp tế bào

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,trong điều kiện không có O2, s.fẩm là chất hữu

cơ còn chứa nhiều NL.

• Hô hấp hiếu khí : Cơ chất được fân giải hoàn toàn

trong đ/k có oxy; toàn bộ Q được giải phóng.

• + Sự đường phân (Glycolysis): TB chất, f.giải

Glucose thành Pyruvat.

• + Chu trình Krebs: Chất nền ty thể, Pyruvat thành

CO2.

• + Chuỗi truyền điện tử: Trong màng ty thể, điện

tử được chuyển tới O2

2 Sự đường phân →

• Đặc điểm: Biến đổi1 Glucoza thành 2 f.tử Pyruvat; TB chất; Q được giải phóng ở dạng ATP; g/đ đầu của f.giải Glu.

• GĐ chuẩn bị (Pha đầu tư năng lượng)

TB sử dụng 2 ATP trong f.ứng phosphoryl hoá tạo Fructoz1,6 di P

Glucoza + 2ATP → Fructoz1,6 di P

• GĐ fân giải (Pha giải phóng năng lượng)

• Các bước cơ bản:

- Fructoz1,6 di P → 2(3P Glyxeraldehyt)

- 3P Glyxeraldehyt → P Glyxerat →1,3 diP Glyxerat

- 1,3 diP Glyxerat → Pyruvat

- 2 NAD+ bị khử thành 2 NADH+H+ bởi sự oxy hoá Glyxeraldehyt

- 4 ATP được tạo thành theo cách bản thể (sự phosphoryl hoá cơ chất) trong quá trình biến đổi 1,3diP Glyxerat thành Pyruvat.

G/đ 2 của đường phân

3P glyxeraldehyt

Sự đường phân (tiếp)

3 Các quá trình lên men

• Đ2: F.giải Glu Trong đ/k thiếu O2 Pyruvat được phân giải = các dạng lên men khác nhau.

• Lên men rượu

CH3COCOOH → CH3COH + CO2

CH3COH + NADH+H+ → CH3CH2OH + NAD+

TB nấm men, thực vật, fần lớn Q còn ở sản phẩm, một số ít được g.fóng ở dạng

nhiệt.

• Lên men axit lactic.

CH3COCOOH +NADH+H+ → CH3CHOHCOOH + NAD+

Vi khuẩn; 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 Krebs.

• Coenzim khử đến từ sự đường phân; dạng oxy hoá tạo thành lại quay về đường phân

- OXH Axetyl CoA = chu trình Krebs →

Đi vào chu trình, gốc Axetyl kết hợp với oxaloaxetat tạo thành citrat, sau đó trải qua một loạt f/ư gốc axetyl bị phân giải hoàn toàn và tái tạo lại

oxaloaxetat

→

Sơ đồ chu trình Krebs ←

Tổng kết NL tạo ra trong qt hô hấp tế bào

• Đường phân (Glycolyz):

• 2 ATP được tạo nhờ sự phosphoryl hoá cơ chất.

• Chu trình Krebs:

• 2 ATP được tạo nhờ sự phosphoryl hoá cơ chất

• Chuỗi v/c điện tử và sự oxy photphoryl hoá:

• 2 NADH+H+ (đường phân) = 4ATP

• 2 NADH+H+ (oxh pyruvat)= 6ATP

• 6 NADH +H+ ( C.trình Krebs) = 18 ATP

• 2 FADH2 ( C.trình Krebs) = 4 ATP

• Tổng số 36 ATP/glucoza

Ý nghĩa của chu trình Krebs

• Qua chu trình, f/tử glucoza bị oxh hoàn toàn, gp toàn bộ NL, tổng hợp tối đa được 36 ATP, đạt hiệu suất 40%

• Từ ATP tổng hợp GTP, XTP, UTP

• Tạo ra nhiều coenzim khử dùng cho f/ư khử trong tế bào

• Tạo nguồn C cho qt tổng hợp axit béo, a.a

IV Quang hợp

1 Khái niệm

• ĐN: là qt chuyển hóa NL quang năng thành hóa năng và sự biến đổi chất vô cơ thành chất hữu cơ

• B/c là qt khử CO2 thành CH2O, nguồn e từ H2O

• Quá trình gồm 2 pha: Pha sáng và pha tối

• 6CO2 + 12 H2O → C6H12O6 + 6H2O + 6O2

• 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2

• ∆G0’=+2875 Kjul/mol

• Pha sáng của quang hợp

Bao gồm các f/ư liên quan AS, ở màng thylacoit

- Sắc tố qh hấp thu NLAS thực hiện f/ư quang hóa làm bật e từ trung tâm f/ư

đi vào hệ truyền e

- Phân ly H2O: gp O2; e; H+

- E được vận chuyển trong hệ truyền e, gp NL tổng hợp ATP và cuối cùng e khử tạo NADPH+H+

Sản phẩm : ATP, NADPH+H+, O2

• Pha tối của quang hợp

- Gồm các f/ư không phụ thuộc trực tiếp vào AS

- Sử dụng sản phẩm của pha sáng: ATP, NADPH+H+ để khử CO2 thành CH2O

- Xảy ra trong chất nền lục lạp

- Phương trình tổng quát

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

2 Hệ quang hóa, các phản ứng quang hóa

- Hệ II Clorofill a (P680), nhiều Clorofill b hơn

• Các phản ứng quang hóa : AS → Sắc tố hấp thu NL; năng lượng tới Sắc tố trung tâm, e- bật ra → chất nhận e- đầu tiên → Hệ truyền e-

• Sự v/c ngược chiều E’o(+0,81 → -0,32v), năng lượng cung cấp từ NLAS

• Trong quá trình sự v/c e- chỉ đi ngược 2 lần,các g/đ khác đi xuôi và g.fóng năng lượng tổng hợp ATP.

• Điện tử được vận chuyển theo 2 con đường: Vận chuyển e thẳng và vận

chuyển e vòng

Hệ quang hóa ←

Quang vận chuyển điện tử thẳng →

• Đặc điểm: e được v/c trong 2 hệ quang hóa, có quang phân ly H2O

Quang vận chuyển e thẳng ←

Vận chuyển e vòng ←

3 Pha tối

• CO2 bị khử để tạo C6H12O6 bằng nhiều f/ư trung gian được xúc tác bởi nhiều enzim

• Nguồn H+ và e được lấy từ NADPH+H+; năng lượng từ ATP (s/f pha sáng)

• Có 2 cơ chế chính để cố định C là chu trình C3 và chu trình C4 Chu trình C3 phổ biến và hợp chất đầu tiên có 3 C; chu trình C4 bổ sung cho C3 và hợp chất đầu tiên có 4 C

Chu trình C 3 = Chu trình Calvin, 1951 →

• RUDP (Ribulozo Di photphat) là chất nhận CO2, s/f đầu tiên là axit photphoglyxeric có 3 C Có 3 g/đ:

- G/đ cacboxyl hóa: CO2 + RUDP tạo 2 pt axit photphoglyxeric

→

Chu trình C 4 = chu trình Hatch-Slack,1960 →

• Là chu trình cố định CO2 ở thực vật nhiệt đới và cận nhiệt đới, bổ sung cho chu trình C3; diễn ra ở 2 loại TB: tb thịt lá và tb bọc mạch Gồm 3 g/đ

- G/đ cacboxyl hóa: CO2 vào tb thịt lá HCO3-; kết hợp với photphoenol

pyruvat (PEP) tạo oxaloaxetat có 4C

- G/đ khử: oxaloaxetat bị khử bởi NADPH+H+ tạo Malat (4C), Malat chuyển sang tế bào bọc mạch.

- G/đ tái sinh: Malat bị decacboxyl hóa và oxh tạo pyruvat, CO2, NADPH+H+ Trong đó NADPH+H+, CO2 đi vào chu trình C3 tạo C6H12O6; còn pyruvat quay về tb thịt lá tái tạo PEP với sự tham gia của ATP, khép kín chu trình

• Trong chu trình, SF đầu tiên có 4 C; CO2 được tiếp nhận gián tiếp bởi PEP; CO2 cố định trong C6H12O6 là tái tạo; chu trình C3 trở thành 1 g/đ của chu trình C4

Chu trình C 4←

←